世上最強激光器激活！什么是啁啾脈沖放大技術
姬揚
2024年4月有新聞報道說，位于羅馬尼亞的一家高科技中心最近激活了世界上最強大的激光器。激光器我們都聽說過，知道它是一種很厲害的光源，發出來的光就是激光，強度大、方向性好、應用范圍廣，但是，這個新聞里的“世界上最強大”體現在哪里呢？它是怎么實現的呢？大家好，我是姬揚，今天就來講講這些事。
發光的東西就是光源，它把能量轉化為光。比如說，燃燒的蠟燭把化學能轉化為光，明亮的太陽把原子能轉化為光，發光二極管把電能轉化為光。怎么比較這些光的強弱呢？這就需要考慮幾個因素，包括光的能量、照射面積和持續時間，等等。
先考慮能量。羅馬尼亞激光器發出的是脈沖式的激光，每個激光脈沖的能量大約是10焦耳，相當于一瓶大可樂（大約1公斤）從1米高的桌子掉到地面上獲得的能量。如果砸到了你的腳上，會覺得有點疼，但也還能忍受。
然后是照射面積。同樣的能量施加在不同的面積上，效果是很不一樣的。這跟用手按圖釘的道理是一樣的：作用在圖釘帽上的力和圖釘尖上的力一樣大，但是你的手指不會受傷，就可以把圖釘按進木板里。普通光源發出來的光朝著四面八方走，激光具有很好的方向性，光的能量可以聚集在很小的面積上，所以強度（也就是通常說的光強）非常大。在四月份的中午，巴掌大的地面上每秒鐘接受的太陽光能量大約就是10焦耳，而羅馬尼亞激光器的光束寬度只有幾毫米，所以它們的光強也就差出幾十萬、幾百萬倍了。
還要考慮持續的時間。能量除以時間，就是我們通常說的功率。同樣的能量在不同的時間長度里釋放出來，功率是很不一樣的，效果也是大不相同的。比如說，小明扶著老奶奶過馬路，和警察一腳踹在流氓的屁股上，他們付出的總能量可能差不多，但是老奶奶安全地到達了馬路對面，而壞人卻直接來了個嘴啃泥。太陽光是均勻連續地照射，脈沖式激光器把有限的能量壓縮在很短的一段時間里釋放，所以瞬間的爆發效果就更加驚人了。
簡單地說，衡量一束光的強弱，就是把光的能量除以照射面積，再除以持續時間。同樣大小的能量，照射的面積越小，持續的時間越短，光的峰值功率就越大。
羅馬尼亞激光器能夠讓激光脈沖在1飛秒內達到10拍瓦的峰值，也就是說，把10焦耳的光能量壓縮到1飛秒也就是1000萬億分之一秒的光脈沖里。這是很難做到的，不僅因為1飛秒是很短的時間，還因為這個峰值功率太大了，什么材料都承受不起，都會被燒壞。為了實現這個了不起的成就，必須采用法國科學家穆魯在上個世紀80年代發明的啁啾脈沖放大技術，在保證激光強度的同時提升其功率。
自從1960年發明激光器以來，科學家們就一直努力提高激光的各項指標，對于脈沖激光器來說，兩個重要的目標是增大單個脈沖的能量和縮短脈沖的寬度。通過調Q、鎖模和克爾透鏡鎖模等超快激光技術，科學家可以把激光脈沖從毫秒的量級提高到納秒、皮秒乃至飛秒的量級，但是，提高單個脈沖激光的能量，需要在增益介質（也就是激光晶體）中對激光脈沖進行放大，困難就來了。超高的激光峰值功率會對增益介質造成損害，增大激光光束直徑，有助于降低它的峰值功率，但是效果不是特別明顯，還對激光晶體的生長也提出了不切實際的要求。啁啾脈沖放大技術就應運而生了。
激光是量子現象，也要服從量子力學的規律。根據測不準原理，當激光脈沖很短的時候，激光的波長就有一定的分布范圍。利用光柵或者光纖可以把不同波長的光分開，讓它們經過長短不同的路徑以后再重新匯合，這樣就可以把脈沖的持續時間拉長，不同波長也就是頻率的光到達的時間是不一樣的，仿佛鳥叫聲的婉轉起伏，所以這個現象就叫作“啁啾”。適當設計的系統可以把激光脈沖的寬度拉長幾萬倍甚至幾十萬倍，從飛秒的量級拉伸到皮秒甚至納秒，在此過程中，由于能量守恒，激光脈沖的峰值能量也會下降相應的倍數。當然，反過來也可以，把納秒或者皮秒的激光脈沖壓縮到飛秒的量級。
啁啾脈沖放大技術的工作原理是這樣的：首先生成一個小能量的超短激光脈沖（這就是種子光），然后在時間上把它拉伸成一個寬脈沖，隨后通過激光晶體進行放大，因為此時的脈沖寬度很大，峰值功率很低，即使放大很多倍也不會損壞激光晶體，單個脈沖可以擁有很高的能量，然后在反過來應用啁啾系統，把這個能量很大但持續時間也很長的激光脈沖擠壓到很短的時間里，就可以得到能量很大、持續時間很短的激光脈沖了。
啁啾激光放大技術非常重要，羅馬尼亞激光器只是一個典型的代表，那里的科學家們充分發揮了現有的技術手段，也許還發明了而一些新的方法，才創造出迄今最短、最強烈的激光脈沖，把10焦耳的光能量壓縮到1飛秒的超短時間里。現在從事這方面的研究的國家有很多，我國也有一些單位做出了非常出色的工作。
隨著激光科學和技術的進步，高強度的超短光脈沖在很多領域比如粒子物理學、核物理學、醫學等都展現了自己的價值。我們希望它在將來會有更多的進展，得到更廣泛的應用。
本文為科普中國·星空計劃扶持作品
作者名稱：姬揚
審核：左玉華 中科院半導體研究所研究員
出品：中國科協科普部
監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
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