從超短光到超短超強(qiáng)光的突破——解讀獲2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的啁啾脈沖放大技術(shù)

李 焱 楊 宏

(北京大學(xué)物理學(xué)院，北京 100871)

2018年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域作出開創(chuàng)性發(fā)明的3位科學(xué)家[1-5]，其中Arthur Ashkin教授因?yàn)榘l(fā)明光鑷技術(shù)(Optical Tweezer)分享了一半的獎(jiǎng)金；Gérard Mourou教授和Donna Strickland副教授因共同發(fā)明啁啾脈沖放大技術(shù)(Chirped Pulse Amplification，CPA)分享了另一半獎(jiǎng)金。啁啾脈沖放大技術(shù)是超高峰值功率超短脈沖激光發(fā)展的一個(gè)重要里程碑，極大推動(dòng)了超強(qiáng)超短激光和強(qiáng)場激光物理等研究領(lǐng)域。那么，這項(xiàng)1985年的發(fā)明有何神通能突破超短脈沖放大的瓶頸呢？本文從技術(shù)原理層面進(jìn)行簡要解讀。

1 超短脈沖的產(chǎn)生

1960年5月16日，美國加州休斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家梅曼發(fā)明了激光器，現(xiàn)在各種激光器遍及科學(xué)、工業(yè)、通信及娛樂領(lǐng)域，并成就了20多項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)工作。這個(gè)日子，也被聯(lián)合國教科文組織定為“國際光日”(International Day of Light)，旨在強(qiáng)調(diào)光和激光在現(xiàn)代社會(huì)中的重要作用，特別是在科學(xué)、文化、藝術(shù)和教育以及可持續(xù)發(fā)展、醫(yī)藥、通信、能源等多個(gè)領(lǐng)域的重要作用。

1962年，調(diào)Q(Q-switching)技術(shù)的誕生使得激光脈沖進(jìn)入納秒(ns，1ns=10-9s)量級。通過調(diào)Q激光技術(shù)獲得的最窄脈沖寬度近似等于光在腔內(nèi)往返一周所需要的時(shí)間，通常在納秒量級，無法獲得更短的激光脈沖。

1964年，鎖模(Mode-locking)技術(shù)被發(fā)明，使得脈沖寬度進(jìn)一步壓縮至皮秒(ps，1ps=10-12s)。在Mourou 等人CPA的首次實(shí)驗(yàn)中，所用的正是脈寬長為150ps的這類鎖模激光器。這樣長的脈寬不僅不能有效體現(xiàn)CPA的意義，而且也限制著放大后所能得到的壓縮脈寬及峰值功率。1970年，連續(xù)染料激光的出現(xiàn)極大地推動(dòng)了鎖模激光器的發(fā)展。1974年，利用腔外光柵對壓縮在染料激光器上獲得了300飛秒(fs，1fs=10-15)的激光運(yùn)轉(zhuǎn)。1981年，利用碰撞脈沖鎖模(Colliding Pulse Mode-locking)獲得了190fs的激光脈沖，使得激光技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了飛秒時(shí)代。1987年，人們進(jìn)一步利用腔外壓縮技術(shù)產(chǎn)生了6fs的激光脈沖，這一結(jié)果在隨后的十幾年間一直是世界上最短的激光脈沖。但是，染料激光的飽和強(qiáng)度很低，難以獲得很高強(qiáng)度的激光輸出，同時(shí)調(diào)諧范圍也很有限，這些都大大地限制了它的應(yīng)用和研究范圍。1986年，摻鈦藍(lán)寶石固體激光器誕生，特別是1991年克爾透鏡鎖模(Kerr-Lens Mode-Locking，KLM)技術(shù)的運(yùn)用，開創(chuàng)了超短激光器的新時(shí)代。目前，國際上有多個(gè)課題組通過精確補(bǔ)償激光脈沖的色散，能夠直接產(chǎn)生10fs乃至5fs的脈沖，這種非常穩(wěn)定的極短激光脈沖自然成為CPA技術(shù)的理想種子光源[6]。

鎖模激光技術(shù)的基本原理如圖1所示。激光諧振腔中存在大量等頻率間隔(Δνq)的縱模，如果這些模式之間沒有固定的相位關(guān)系，合成的將是一系列不規(guī)則的寬度較寬而高度較低的雜亂脈沖。如果在腔中加入損耗調(diào)制元件或通過克爾非線性作用等特殊的方法，使得不同的振蕩縱模之間建立起確定的(“鎖定”的)相對相位關(guān)系，比如圖1中所有模式都在t0時(shí)刻同步，此刻各模式相位相同，都處于電場最大值的位置。這樣，每個(gè)模式與其他模式之間保持固定的相位關(guān)系，而必然伴隨著一種多縱模間的相干作用，導(dǎo)致輸出激光呈現(xiàn)為一系列規(guī)則的脈沖序列。

圖1 鎖模產(chǎn)生超短脈沖示意圖

每個(gè)光脈沖的電場E(t)快速振蕩，但其包絡(luò)A(t)可以相對緩慢變化，其時(shí)間寬度Δτ由維持同步振蕩的縱模數(shù)目所決定，縱模數(shù)越多，脈沖寬度越窄。為了獲得盡可能窄的脈沖寬度，必須采用具有較大增益帶寬的工作介質(zhì)。設(shè)激光器實(shí)際支持的頻譜寬度為Δν，則有Δτ·Δν=K，K是接近1的常數(shù)。對于圖1所示的時(shí)間域和頻率域均為高斯函數(shù)的高斯脈沖，K=0.441。

對于已經(jīng)鎖模的激光，經(jīng)過一個(gè)周期(TR=2L/c)后，又會(huì)輸出一個(gè)脈沖，并且有TR·Δνq=1，其中L為激光腔長度，c為光速。為了畫圖方便，圖1只選擇了11個(gè)縱模進(jìn)行疊加，但是已經(jīng)可以看出，輸出的脈沖寬度已經(jīng)很窄了。對于腔長在米量級(L～m)的飛秒激光器，Δνq在108Hz量級，帶寬Δν在1014Hz量級，同時(shí)鎖定的縱模模式數(shù)目(N=Δν/Δνq)在106量級。上百萬個(gè)縱模鎖模后，就產(chǎn)生了脈沖寬度在幾十飛秒的超短脈沖。飛秒光頻梳就是利用了脈沖中存在大量等間隔頻率的特點(diǎn)。

人們追求更短脈沖的腳步越來越快。2001年前后，利用短飛秒的鈦寶石激光轟擊惰性氣體產(chǎn)生高次諧波，獲得了脈沖寬度為250阿秒(as, 1as=10-18s)的脈沖串和大約600as的脈沖。2004年，得到脈寬為250as的孤立脈沖，將超短激光脈沖和超快光學(xué)研究領(lǐng)域的能力推進(jìn)到了阿秒量級。2012年，獲得了67as的孤立脈沖。2017年，產(chǎn)生脈寬僅僅43as，成為最新的相干光脈沖世界紀(jì)錄！理論上已經(jīng)證明，如果用拍瓦(PW, 1PW=1015W)的激光激發(fā)時(shí)，能夠產(chǎn)生仄秒(zs，1zs=10-21s)和亞仄秒的激光脈沖。真是沒有最快，只有更快！

飛秒有多短？光1秒鐘傳播30萬km，可以環(huán)繞地球7圈半，但光在1fs內(nèi)只能走0.3μm，還不到一根頭發(fā)絲直徑的1%。如果將真實(shí)的1s壓縮成1fs，已經(jīng)存在了140億年的宇宙就變成7.4分鐘。

談到超短脈沖的脈沖寬度時(shí)，經(jīng)常遇到皮、飛、阿等詞頭，它們代表的因數(shù)如表1所示。下面我們討論超短脈沖的峰值功率時(shí)，又會(huì)遇到太、拍、艾等詞頭，也在表1中一并列出。

表1 一些詞頭代表的因數(shù)、中英文名稱和符號(hào)

眾所周知，要想探測隨時(shí)間快速變化的過程，只能采用比此過程更短的閃光進(jìn)行拍照。超短激光脈沖就像一個(gè)超快的閃光燈，由于它的閃光過程非常短，因此微觀世界的動(dòng)態(tài)過程就可以被一個(gè)個(gè)閃光照亮并記錄下來，就像在時(shí)間上提供了一把具有極小刻度的標(biāo)尺。原子和分子是組成物質(zhì)的基本單元，分子中的原子核和原子分子中的電子都在做著高速運(yùn)動(dòng)。原子核間的轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生在皮秒量級、振動(dòng)發(fā)生在飛秒量級，而電子在原子分子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)通常發(fā)生在阿秒量級，例如氫原子里基態(tài)電子繞原子核運(yùn)動(dòng)一周的時(shí)間大約是150as。人們要了解這些過程，不得不借助超短激光。

2 超短脈沖放大的瓶頸

極短的脈沖寬度，不僅使超短激光脈沖具備超快的時(shí)間測量能力，還能使很弱的單脈沖能量產(chǎn)生億瓦級的峰值功率(能量除以脈沖寬度)。如果在10fs的時(shí)間內(nèi)將看起來微不足道的1mJ能量釋放出來，峰值功率將達(dá)到1011W，聚焦后峰值功率密度(峰值功率/聚焦光斑的面積)可以達(dá)到1017W/cm2。

目前，科學(xué)家們已能將這種能量提高到百焦耳以上，最大峰值功率已達(dá)到10PW，可以產(chǎn)生接近太陽內(nèi)部強(qiáng)度的電磁場環(huán)境。超強(qiáng)超短激光經(jīng)聚焦的最高光強(qiáng)已達(dá)到1022～23W/cm2量級。自然界中已知的最高光強(qiáng)是達(dá)到1020W/cm2量級的宇宙伽馬射線暴的強(qiáng)度，所以超強(qiáng)超短激光被認(rèn)為是已知的最亮光源。

超強(qiáng)激光為強(qiáng)電磁場下的物理和化學(xué)過程研究提供了獨(dú)一無二的科學(xué)工具，在臺(tái)式化加速器、激光聚變、核物理與核醫(yī)學(xué)、高能物理等領(lǐng)域均有重大應(yīng)用價(jià)值。如今，飛秒激光具有在低能量下獲得高強(qiáng)度的特點(diǎn)，已經(jīng)在先進(jìn)制造和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[7-10]。

激光脈沖的峰值功率=單脈沖能量/脈沖寬度，所以，激光脈沖的時(shí)間尺度即脈沖寬度越短或激光脈沖的能量越大，對應(yīng)的峰值功率就越大。為了獲得極高的峰值功率，科學(xué)家不僅需要縮短激光脈沖的時(shí)間尺度，同時(shí)還需不斷放大激光脈沖的能量。但是，直接放大超短激光脈沖的能量很快就遇到了難以逾越的瓶頸。因?yàn)橹苯臃糯筮^程中，超高峰值功率密度極易損壞放大器中增益介質(zhì)和其他透射式光學(xué)元器件，自我毀壞激光器。另外，直接放大的超短脈沖時(shí)間尺度太短，不利于高效吸收放大增益介質(zhì)中的全部能量。

在1985年CPA技術(shù)出現(xiàn)之前，激光功率密度經(jīng)歷了近20年的平臺(tái)區(qū)，沒有明顯突破。為了降低激光腔內(nèi)過高的峰值功率密度，最簡單直接的方法就是擴(kuò)大增益介質(zhì)口徑和聚焦光斑的面積，但對提高能量非常有限。為了增加1萬倍的激光聚焦功率密度，我們就需要把原有的激光晶體直徑和相關(guān)光學(xué)元器件的尺寸增大百倍，龐大的尺寸實(shí)際是不可行的。

直接放大超短激光脈沖此路不通，如何突破這個(gè)瓶頸呢？獲得2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的啁啾脈沖放大技術(shù)閃亮登場。

3 啁啾脈沖放大技術(shù)

什么是啁啾脈沖？

前面說過，超短脈沖必然不是單色光，而是含有大量縱模，通過鎖模技術(shù)形成的。脈沖寬度Δτ越短，通常頻譜Δν越寬。每個(gè)頻率成分以自己的相速(vp=ω/k)傳播，波包則以群速(vg=dω/dk)傳播，其中的ω為時(shí)間角頻率(ω=2πν,ν為時(shí)間頻率)，k為波矢大小(k=2π/λ，λ為波長)。 一般Δτ·Δν≥K，K是接近1的常數(shù)。時(shí)間強(qiáng)度I(t)相同的脈沖，頻域上的強(qiáng)度分布I(ω)不一定相同，這取決于脈沖的時(shí)間相位因子φ(t)。當(dāng)φ(t)是常數(shù)時(shí)，Δτ·Δν=K，乘積取最小值。此時(shí)Δτ和Δν兩者呈反比關(guān)系，如圖2所示，這樣的脈沖被稱為傅里葉變換受限脈沖。也就是說，對于同樣的Δν，當(dāng)頻域相位因子φ(ω)為常數(shù)時(shí)，傅里葉變換獲得的脈沖最短。

圖3 無啁啾脈沖在正常色散介質(zhì)中傳播時(shí)的波包變化

圖2 變換受限的脈沖

如果φ(ω)隨頻率變化，則有Δτ·Δν>K，兩者不再是嚴(yán)格的反比關(guān)系，而且會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)頻率發(fā)生變化，這種不滿足傅里葉變換關(guān)系的脈沖稱為啁啾脈沖。瞬時(shí)頻率越來越高的，稱為上啁啾脈沖，而頻率越來越低的叫做下啁啾脈沖。啁啾即鳥鳴聲，特征是瞬時(shí)頻率變化，因而婉轉(zhuǎn)動(dòng)聽。王維在《黃雀癡》里寫道，小黃雀“到大啁啾解游飏，各自東西南北飛”。

一個(gè)傅里葉變換受限的無啁啾脈沖在真空和無色散介質(zhì)中傳播時(shí)，波包的群速和波包寬度不變，如圖3(a)所示。但是，在正常色散介質(zhì)中傳播時(shí)，波包的群速和波包寬度可能變化。如果只有一階色散(dk/dω>0)，不同頻率成分的相位移動(dòng)是線性的(圖3(b)的點(diǎn)線)，波包寬度也即脈沖寬度和時(shí)間無關(guān)，但波包延遲到達(dá)，圖3中相對無色散介質(zhì)的延遲時(shí)間為t1-t0，這就是群速延遲時(shí)間。如果同時(shí)還存在二階色散(d2k/dω2>0)帶來的群速延遲色散，不同頻率成分的相位移動(dòng)是非線性的(圖3(c)的點(diǎn)線)，波包相對無色散介質(zhì)的延遲時(shí)間更長(t2-t0)，波包的瞬時(shí)頻率越來越高，成為上啁啾脈沖。值得注意的是波包還會(huì)展寬，同時(shí)幅度減小。當(dāng)超短的飛秒脈沖進(jìn)入很厚的色散介質(zhì)或經(jīng)過很強(qiáng)的色散元件，出射的脈沖寬度可以有幾個(gè)量級的展寬，同時(shí)幅度有幾個(gè)量級的降低。CPA技術(shù)正是利用了這一特點(diǎn)。如果考慮更高階的色散和非線性效應(yīng)，波包還會(huì)發(fā)生其他變化。

1985年， Mourou和他的學(xué)生D.Strickland在《Optics Communications》期刊上發(fā)表了提出啁啾脈沖放大(chirped pulse amplification, CPA)技術(shù)概念的文章[11]。這是高峰值功率脈沖激光技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑，開辟了超強(qiáng)超短激光和強(qiáng)場激光物理的新研究方向。下面以飛秒激光脈沖的啁啾放大為例加以說明。

飛秒激光脈沖的CPA技術(shù)原理是[12]：首先利用色散將飛秒激光脈沖通過展寬器在時(shí)間上展寬幾個(gè)量級，使脈沖寬度達(dá)到幾百皮秒甚至納秒，峰值功率也降低幾個(gè)量級；展寬后的低功率脈沖在經(jīng)過激光增益介質(zhì)放大后，充分提取了激光介質(zhì)的儲(chǔ)能；最后經(jīng)過與展寬器具有相反色散的壓縮器將脈沖寬度壓縮至接近最初的脈寬值，得到峰值功率極大的飛秒脈沖，如圖4所示。

圖4 超短脈沖的啁啾脈沖放大技術(shù)的原理示意圖

CPA技術(shù)可以保證放大前后的脈沖寬度基本一致，而脈沖的能量卻可以提高若干數(shù)量級，從而大幅度地提升了激光脈沖的峰值功率。這種方法，解決了直接放大時(shí)高峰值功率引起介質(zhì)的非線性效應(yīng)造成的光學(xué)元件損傷、脈沖光斑質(zhì)量下降等問題，使超短激光脈沖獲得了較為理想的放大效果。CPA的發(fā)明革命性地改變了超強(qiáng)超短激光領(lǐng)域，獲得諾貝爾獎(jiǎng)實(shí)至名歸。目前，全世界的超強(qiáng)超短激光系統(tǒng)都是基于CPA技術(shù)而建立的。

如何將超短脈沖展寬？

早期展寬器主要采用單模光纖展寬種子脈沖，但這種展寬技術(shù)不僅需要長度達(dá)公里量級的光纖，而且損耗大、展寬量低、色散不能調(diào)節(jié)?，F(xiàn)在的飛秒光纖激光器發(fā)展到了啁啾光纖光柵、特殊光纖等器件，在提供更多色散量的同時(shí)，提高了系統(tǒng)光學(xué)性能和工程便利性。固態(tài)飛秒激光放大器中多采用光柵展寬器，極大地提高了脈沖的展寬比，而且色散可調(diào)，其原理如圖5所示。

圖5 光柵對展寬器[12]

從振蕩器輸出的弱飛秒種子光是無啁啾的，不同的頻率成分在時(shí)間上同步，經(jīng)過光柵對后，引入正色散，其中波長較長的頻率成分(灰色)比波長較短的頻率成分(黑色)走的路徑短，脈沖被展寬成波長較長的頻率成分在前、波長較短的成分在后面的上啁啾脈沖，脈沖被顯著拉長，幅度變小。對這種展寬后的脈沖可以充分放大，避免了直接放大中峰值功率過高帶來的諸多問題。

如何壓縮回超短脈沖？

圖6 光柵對壓縮器[12]

放大的目的還是要獲得超短脈沖，被放大的展寬了的啁啾脈沖還必須壓縮回飛秒脈沖。常用的壓縮器有光柵對、棱鏡對、啁啾反射鏡、啁啾體光柵等，提供負(fù)的啁啾。下面以光柵對為例說明，如圖6所示。與展寬器中相對放置的光柵對不同，壓縮器中的光柵對平行放置，它的作用正好與展寬器中的作用相反，提供負(fù)色散，波長較短的頻率成分(黑色)比波長較長的頻率成分(灰色)走的路徑短，在輸出時(shí)正好追上波長較長的頻率成分，這樣，啁啾脈沖就壓縮成為近傅里葉變換受限的無啁啾脈沖，但是強(qiáng)度大大增加。這種峰值功率極高的超短脈沖是正好在激光器輸出時(shí)形成的，不會(huì)再損壞激光器本身。

超強(qiáng)超短激光(峰值功率>1TW，脈沖寬度<100fs)的出現(xiàn)與迅猛發(fā)展，為人類提供了前所未有的極端物理?xiàng)l件與全新實(shí)驗(yàn)手段。2006年，在Mourou教授的倡議和推動(dòng)下，歐盟10多個(gè)國家的近40家研究院所和科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合提出的極端光設(shè)施(extreme light infrastructure，ELI)計(jì)劃，擬發(fā)展峰值功率200PW級超強(qiáng)超短激光裝置，主要科學(xué)目標(biāo)是面向100GeV的激光加速、面向Schwinger場的真空結(jié)構(gòu)研究(1～10)keV相干X射線產(chǎn)生與阿秒科學(xué)研究和光核物理研究。

英國和法國正緊鑼密鼓地開展各自10PW級超強(qiáng)超短激光裝置的研制工作。俄、美、德等國也紛紛提出了各自的10PW級乃至100PW級超強(qiáng)超短激光裝置研究計(jì)劃，如美國75PW的光參量放大束線(optical parametric amplifier line，OPAL)計(jì)劃、俄羅斯180PW的艾瓦中心極端光學(xué)研究(Exawatt Center for extreme light studies，XCELS)計(jì)劃等。我國開展拍瓦級超強(qiáng)超短激光及其應(yīng)用研究的主要機(jī)構(gòu)包括中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、中國工程物理研究院激光聚變中心和中國科學(xué)院物理研究所等。其中上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置的目標(biāo)是建成世界首套30fs、10PW超強(qiáng)超短激光系統(tǒng)。

2011年，Mourou教授領(lǐng)導(dǎo)成立了一個(gè)新的國際研究中心——國際澤瓦艾瓦科技中心(The International Center for Zetta-Exawatt Science and Technology，IZEST)，目前全世界已有30多家研究單位加盟。Mourou教授希望依托該中心研究出新一代的激光技術(shù)，能夠?qū)⒓す獾姆逯倒β试诂F(xiàn)在的水平上繼續(xù)提高3～5個(gè)數(shù)量級。正如他在很多場合所說的那樣，超強(qiáng)超短激光令人期待，“最精彩的尚未到來。”