超短超强TW/PW激光技术概略

超短超强激光技术(一) 概略

1. 什么是超短超强激光：一般情况下，超短超强激光指的是脉宽超短，峰值功率超强的激光。超短超强激光脉宽在飞秒(fs, 10^-15秒)量级，峰值功率在太瓦(TW，10^12瓦)量级。典型的超短超强激光装置为法国Amplitute公司的200TW/25fs的钛宝石系统(如下图所示，占地面积~2mx10m=20 m^2)：

25飞秒有多短？ 25飞秒为电子绕原子核10圈所花的时间。

200太瓦有多强？200 太瓦=200亿 千瓦，中国最大的水力发电站为三峡水电站，它的装机容量为0.2亿千瓦(百度百科)，也就是说200太瓦激光脉冲的峰值功率为三峡水电站功率的100倍。

2.超短超强激光有什么用：超短超强激光的应用不是我的强项，略过不表。

3.如何获得超短超强激光：目前获得超短超强激光的主流技术为啁啾脉冲放大技术(Chirped pulse amplification)，如下图所示。一个飞秒振荡器发出的脉冲脉宽约25飞秒，能量1纳焦。经过一个时域展宽器，将脉冲宽度展宽为1纳秒左右，展宽后的脉冲经过放大器进行放大至焦耳量级，最后经过压缩器把脉宽压缩回25飞秒，太瓦量级超短超强激光。

超短超强激光技术(二) 啁啾脉冲放大

前一期简要的介绍了超短超强激光的概念，然后引出获得超短超强激光的主要技术是啁啾脉冲放大技术。这一期继续讨论啁啾脉冲放大。

首先亮出观点：

啁啾脉冲放大的核心是时间换空间。

激光重新定义了光，啁啾脉冲放大重新定义了激光。

下面是慢慢的介绍。

激光的功率就是激光单位时间的能量，即P=E/t。从公式可以看出，有两个方法可以提高激光的功率。一个是提高能量，一个是减少脉冲持续时间。

首先看脉冲持续时间无限长的情况，这就是连续激光，目前连续激光的最高功率在万瓦量级。前不久看新闻，国防科大通过光纤组束，获得了10万瓦的功率。继续提高连续光的功率面临着诸多挑战。

对于脉冲激光，峰值功率破万瓦是件轻松写意的事情。一个调Q激光，脉冲宽度在纳秒量级，脉冲能量在亚毫焦量级，峰值功率可以达到万瓦，而成本可以低于2万毛爷爷。简要介绍下调Q原理，下图是数值求解速率方程得到的调Q脉冲的演化过程。从激光原理的角度解释这件事情有点麻烦。我就比喻一下。好比一个人喝水，如果一个人大小便失禁，每喝一口水就立即尿出来，那么他的尿的流速可以认为等于喝水的速度。如果这个人看了广告吃了肾宝片，肾功能异常强大，上午喝了一桶水，憋到了下午，那他解开裤子的一刹那将一泻千里。连续激光类似大小便失禁，释放能量的速率即功率约为吸收能量的速率，调Q激光类似憋尿，吸收大量能量后瞬间释放出来，功率也就显著高于连续激光。然而调Q激光的最高峰值功率在兆瓦量级，显然不能满足人们贪婪的胃口。

 

接下来锁模激光出场了。简单的说锁模的原理类似物理上的共振或者生活上的共鸣。比如士兵齐步过桥把桥走塌，马蓉出轨微博被骂等等。不管是生活中还是物理上，当大家齐刷刷的做一件事情的时候，会爆发出不可思议的能量或者出现不可思议的现象。下图是锁模的原理示意图。当激光的各个频率成分杂乱无章的时候，激光的强度弱。当激光的各个频率成分相位锁定的时候，会形成一个窄脉冲，峰值功率急剧提升。目前的锁模脉冲脉宽可短至5飞秒。峰值功率在吉瓦量级。

人们想继续提高脉冲的峰值功率，然而此时却遇到了困难。对于一般的激光晶体，为了避免放大过程中的非线性效应，脉冲在晶体上的光强要小于10 GW/cm^2左右。光强为功率除以光斑面积，即I=P/A。如果要直接放大飞秒脉冲获得太瓦功率，则光斑面积为 A=P/I=10^12W/(10×10^9W/cm^2)=100 cm^2. 即要求一个口径10 cm的晶体。常用的激光晶体如钛宝石的最大口径约为15cm，一块晶体就可以在帝都或者魔都贷款买房了。如果要继续提高功率的话，还得线性的增加晶体的尺寸。很显然，增加晶体口径的方法，一来提升幅度有限，二来价格昂贵。全世界陷入了沉默，宛如男人撸过后的不应期，长达20年。

我不知道在那20年激光中世纪的博士是怎么毕业的，那个时候还没有码农可以转吧。然而正所谓物极必反，触底反弹。1985年，幸运的Strickland博士在其导师Mourou的指导下，将锁模脉冲捅进一段光纤中，脉冲的脉宽被展宽了，然后进行放大，最后用一个光栅对将脉宽压缩回去。他们给这个方法起了个名字，叫chirped pulse amplification (CPA)，啁啾脉冲放大。这个实验结果发表在了影响因子只有1.5的optics communication上面。影响因子1.5是无法衡量这个实验的意义的。所以每当我投optics communication的时候，都会认为自己工作的意义是无法估量的。

再介绍下啁啾脉冲放大的原理，啁啾的英文chirp是个拟声词，模拟的鸟叫的声音。鸟叫的声音有个特点，就是声调越来越高，越来越尖锐。可以用录音机把鸟的声音录下来，用示波器显示，如下图所示。

傅里叶极限的飞秒脉冲，经过色散元件后，相位会发生变化。体材料，光栅对，啁啾镜等都可以提供不同程度的色散。如果把这些色散进行泰勒展宽，会发现泰勒展开项的第二项起主要作用(常数项和一阶项不改变脉宽)。下图为一个傅里叶极限3fs的脉冲引入15 fs^2二阶色散后的情况。可以看出，而且脉冲的宽度展宽到14 fs，而且脉冲的频率随着时间增加。 频率随着时间增加的特性和鸟的叫声有相似之处，因此把引入二阶正色散称之为引入线性正啁啾。

至此，啁啾脉冲是怎么回事就算是说的差不多了。再来提提峰值功率的事情。晶体材料的激光光强要小于10 GW/cm^2，降低激光脉冲在材料上的光强，一是扩大光斑直径，一是扩大脉冲宽度，而且光强随光斑直径和脉冲宽度的变化都是线性的。晶体口径的变化范围为1~15cm，很小。然而，采用啁啾脉冲的方法，可以把30飞秒的脉冲展宽到1纳秒，展宽倍数为数十万倍。因此展宽脉宽后，峰值功率大大降低，放大顺利进行。放大后，还可以通过色散元件压缩回30飞秒，峰值功率大大提升。因此，我把啁啾脉冲放大称之为时间换空间。自从人们点开了啁啾脉冲放大技术后，激光的峰值功率又开始了指数增长。目前已经达到了2PW，全世界数个国家的10 PW 项目也都在如火如荼的开展。

超强超短激光技术（三）脉冲放大

前面已经大致介绍了超强超短激光技术的路线。现在去细化这个技术路线的每一步该怎么实现。本文介绍超强超短激光的放大过程。目前主流的放大方式有两种，一种是传统的激光放大，另一种是光参量放大。本文介绍激光放大，下一篇文章介绍光参量放大。

放大后能量

放大过程中，我们关心放大后脉冲的通量（能量）及提取效率。影响这些指标的核心参数有三个，分别是放大晶体的饱和通量，泵浦光通量及入射激光通量。这三个参数通过FN方程联系在一起。

Fout=Fsat*ln{[1+exp(Fsto/Fsat)]*[exp(Fin/Fsat)-1]}

Fout是放大后脉冲通量，Fsat是放大晶体饱和通量，Fsto 泵浦光储能通量，Fin是入射激光通量。

小信号增益及提取效率的定义分别为：

G0=exp(Fsto/Fsat)

Eff=(Fout-Fin)/Fsto

当入射激光通量非常低的时候，脉冲放大处于小信号增益阶段，FN方程可以简化为

Fout=Fin*G0

当入射激光通量较强的时候，脉冲进入饱和放大阶段，FN方程可以简化为

Fout=Fin*(1+lnG0)

图1给出了脉冲放大提取效率（单程放大）与入射脉冲通量的关系，可以看出入射脉冲通量越大，提取效率越高。因此一般要求激光最后一程放大的时候，脉冲通量要在晶体饱和通量这一量级。另外，小信号增益越大，则提取效率越高。

图1, 脉冲放大提取效率与入射脉冲通量的关系

数值举例：

一个钛宝石再生放大器，其中入射脉冲能量为1nJ，放大后脉冲能量为1mJ，泵浦光能量5 mJ。请确定出光斑直径及放大程数。

Fsat=0.85 J/cm2;%钛宝石的饱和通量，钛宝石晶体的特性

Loss=0.1;每一程的损耗，0.1为典型值。

G=1mJ/1nJ=10^6;总增益，由放大器要求决定。

G0=4; 单程小信号增益。增益太大会有自发辐射，增益太小放大程数太多。

泵浦光和信号光中心波长分别为0.532um和0.8um.

由以上已知条件确定其他参数：

N=ln(Gtot)/ln[(G(1-Loss))]=ln(10^6)/ln[4(1-0.1)]=6ln10/ln3.6=10.8;总的放大程数。

Fsto=(lnG)*Fsat=1.18 J/cm^2;

Fpump=1.18*0.8/0.532=1.77 J/cm^2

Area=5×10^-3/1.77=2.82×10^-3 cm^2=0.282 mm^2

Diameter=0.36 mm;

因此该放大器的光斑直径为0.36mm，放大程数约为11.