從超短光到超短超強光的突破——解讀獲2018年諾貝爾物理學獎的啁啾脈沖放大技術

李 焱 楊 宏

(北京大學物理學院，北京 100871)

2018年的諾貝爾物理學獎頒給了在光學技術領域作出開創性發明的3位科學家[1-5]，其中Arthur Ashkin教授因為發明光鑷技術(Optical Tweezer)分享了一半的獎金；Gérard Mourou教授和Donna Strickland副教授因共同發明啁啾脈沖放大技術(Chirped Pulse Amplification，CPA)分享了另一半獎金。啁啾脈沖放大技術是超高峰值功率超短脈沖激光發展的一個重要里程碑，極大推動了超強超短激光和強場激光物理等研究領域。那么，這項1985年的發明有何神通能突破超短脈沖放大的瓶頸呢？本文從技術原理層面進行簡要解讀。

1 超短脈沖的產生

1960年5月16日，美國加州休斯實驗室的科學家梅曼發明了激光器，現在各種激光器遍及科學、工業、通信及娛樂領域，并成就了20多項諾貝爾獎工作。這個日子，也被聯合國教科文組織定為“國際光日”(International Day of Light)，旨在強調光和激光在現代社會中的重要作用，特別是在科學、文化、藝術和教育以及可持續發展、醫藥、通信、能源等多個領域的重要作用。

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

1964年，鎖模(Mode-locking)技術被發明，使得脈沖寬度進一步壓縮至皮秒(ps，1ps=10-12s)。在Mourou 等人CPA的首次實驗中，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，連續染料激光的出現極大地推動了鎖模激光器的發展。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)的激光運轉。1981年，利用碰撞脈沖鎖模(Colliding Pulse Mode-locking)獲得了190fs的激光脈沖，使得激光技術的發展進入了飛秒時代。1987年，人們進一步利用腔外壓縮技術產生了6fs的激光脈沖，這一結果在隨后的十幾年間一直是世界上最短的激光脈沖。但是，染料激光的飽和強度很低，難以獲得很高強度的激光輸出，同時調諧范圍也很有限，這些都大大地限制了它的應用和研究范圍。1986年，摻鈦藍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)技術的運用，開創了超短激光器的新時代。目前，國際上有多個課題組通過精確補償激光脈沖的色散，能夠直接產生10fs乃至5fs的脈沖，這種非常穩定的極短激光脈沖自然成為CPA技術的理想種子光源[6]。

鎖模激光技術的基本原理如圖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系，合成的將是一系列不規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)相對相位關系，比如圖1中所有模式都在t0時刻同步，此刻各模式相位相同，都處于電場最大值的位置。這樣，每個模式與其他模式之間保持固定的相位關系，而必然伴隨著一種多縱模間的相干作用，導致輸出激光呈現為一系列規則的脈沖序列。

圖1 鎖模產生超短脈沖示意圖

每個光脈沖的電場E(t)快速振蕩，但其包絡A(t)可以相對緩慢變化，其時間寬度Δτ由維持同步振蕩的縱模數目所決定，縱模數越多，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。設激光器實際支持的頻譜寬度為Δν，則有Δτ·Δν=K，K是接近1的常數。對于圖1所示的時間域和頻率域均為高斯函數的高斯脈沖，K=0.441。

對于已經鎖模的激光，經過一個周期(TR=2L/c)后，又會輸出一個脈沖，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個縱模進行疊加，但是已經可以看出，輸出的脈沖寬度已經很窄了。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，同時鎖定的縱模模式數目(N=Δν/Δνq)在106量級。上百萬個縱模鎖模后，就產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。

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研究領域的能力推進到了阿秒量級。2012年，獲得了67as的孤立脈沖。2017年，產生脈寬僅僅43as，成為最新的相干光脈沖世界紀錄！理論上已經證明，如果用拍瓦(PW, 1PW=1015W)的激光激發時，能夠產生仄秒(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，可以環繞地球7圈半，但光在1fs內只能走0.3μm，還不到一根頭發絲直徑的1%。如果將真實的1s壓縮成1fs，已經存在了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，經常遇到皮、飛、阿等詞頭，它們代表的因數如表1所示。下面我們討論超短脈沖的峰值功率時，又會遇到太、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、中英文名稱和符號

眾所周知，要想探測隨時間快速變化的過程，只能采用比此過程更短的閃光進行拍照。超短激光脈沖就像一個超快的閃光燈，由于它的閃光過程非常短，因此微觀世界的動態過程就可以被一個個閃光照亮并記錄下來，就像在時間上提供了一把具有極小刻度的標尺。原子和分子是組成物質的基本單元，分子中的原子核和原子分子中的電子都在做著高速運動。原子核間的轉動發生在皮秒量級、振動發生在飛秒量級，而電子在原子分子內部的運動通常發生在阿秒量級，例如氫原子里基態電子繞原子核運動一周的時間大約是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間測量能力，還能使很弱的單脈沖能量產生億瓦級的峰值功率(能量除以脈沖寬度)。如果在10fs的時間內將看起來微不足道的1mJ能量釋放出來，峰值功率將達到1011W，聚焦后峰值功率密度(峰值功率/聚焦光斑的面積)可以達到1017W/cm2。

目前，科學家們已能將這種能量提高到百焦耳以上，最大峰值功率已達到10PW，可以產生接近太陽內部強度的電磁場環境。超強超短激光經聚焦的最高光強已達到1022～23W/cm2量級。自然界中已知的最高光強是達到1020W/cm2量級的宇宙伽馬射線暴的強度，所以超強超短激光被認為是已知的最亮光源。

超強激光為強電磁場下的物理和化學過程研究提供了獨一無二的科學工具，在臺式化加速器、激光聚變、核物理與核醫學、高能物理等領域均有重大應用價值。如今，飛秒激光具有在低能量下獲得高強度的特點，已經在先進制造和生物醫學等領域得到廣泛的應用[7-10]。

激光脈沖的峰值功率=單脈沖能量/脈沖寬度，所以，激光脈沖的時間尺度即脈沖寬度越短或激光脈沖的能量越大，對應的峰值功率就越大。為了獲得極高的峰值功率，科學家不僅需要縮短激光脈沖的時間尺度，同時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。因為直接放大過程中，超高峰值功率密度極易損壞放大器中增益介質和其他透射式光學元器件，自我毀壞激光器。另外，直接放大的超短脈沖時間尺度太短，不利于高效吸收放大增益介質中的全部能量。

在1985年CPA技術出現之前，激光功率密度經歷了近20年的平臺區，沒有明顯突破。為了降低激光腔內過高的峰值功率密度，最簡單直接的方法就是擴大增益介質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光學元器件的尺寸增大百倍，龐大的尺寸實際是不可行的。

直接放大超短激光脈沖此路不通，如何突破這個瓶頸呢？獲得2018年諾貝爾物理學獎的啁啾脈沖放大技術閃亮登場。

3 啁啾脈沖放大技術

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，通過鎖模技術形成的。脈沖寬度Δτ越短，通常頻譜Δν越寬。每個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為時間角頻率(ω=2πν,ν為時間頻率)，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。時間強度I(t)相同的脈沖，頻域上的強度分布I(ω)不一定相同，這取決于脈沖的時間相位因子φ(t)。當φ(t)是常數時，Δτ·Δν=K，乘積取最小值。此時Δτ和Δν兩者呈反比關系，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，當頻域相位因子φ(ω)為常數時，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中傳播時的波包變化

圖2 變換受限的脈沖

如果φ(ω)隨頻率變化，則有Δτ·Δν>K，兩者不再是嚴格的反比關系，而且會導致瞬時頻率發生變化，這種不滿足傅里葉變換關系的脈沖稱為啁啾脈沖。瞬時頻率越來越高的，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，特征是瞬時頻率變化，因而婉轉動聽。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”。

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

1985年， Mourou和他的學生D.Strickland在《Optics Communications》期刊上發表了提出啁啾脈沖放大(chirped pulse amplification, CPA)技術概念的文章[11]。這是高峰值功率脈沖激光技術發展的一個重要里程碑，開辟了超強超短激光和強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技術原理是[12]：首先利用色散將飛秒激光脈沖通過展寬器在時間上展寬幾個量級，使脈沖寬度達到幾百皮秒甚至納秒，峰值功率也降低幾個量級；展寬后的低功率脈沖在經過激光增益介質放大后，充分提取了激光介質的儲能；最后經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的原理示意圖

CPA技術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，解決了直接放大時高峰值功率引起介質的非線性效應造成的光學元件損傷、脈沖光斑質量下降等問題，使超短激光脈沖獲得了較為理想的放大效果。CPA的發明革命性地改變了超強超短激光領域，獲得諾貝爾獎實至名歸。目前，全世界的超強超短激光系統都是基于CPA技術而建立的。

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，但這種展寬技術不僅需要長度達公里量級的光纖，而且損耗大、展寬量低、色散不能調節。現在的飛秒光纖激光器發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，提高了系統光學性能和工程便利性。固態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，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間上同步，經過光柵對后，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形成的，不會再損壞激光器本身。

超強超短激光(峰值功率>1TW，脈沖寬度<100fs)的出現與迅猛發展，為人類提供了前所未有的極端物理條件與全新實驗手段。2006年，在Mourou教授的倡議和推動下，歐盟10多個國家的近40家研究院所和科研機構聯合提出的極端光設施(extreme light infrastructure，ELI)計劃，擬發展峰值功率200PW級超強超短激光裝置，主要科學目標是面向100GeV的激光加速、面向Schwinger場的真空結構研究(1～10)keV相干X射線產生與阿秒科學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級超強超短激光裝置研究計劃，如美國75PW的光參量放大束線(optical parametric amplifier line，OPAL)計劃、俄羅斯180PW的艾瓦中心極端光學研究(Exawatt Center for extreme light studies，XCELS)計劃等。我國開展拍瓦級超強超短激光及其應用研究的主要機構包括中國科學院上海光學精密機械研究所、中國工程物理研究院激光聚變中心和中國科學院物理研究所等。其中上海超強超短激光實驗裝置的目標是建成世界首套30fs、10PW超強超短激光系統。

2011年，Mourou教授領導成立了一個新的國際研究中心——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，能夠將激光的峰值功率在現在的水平上繼續提高3～5個數量級。正如他在很多場合所說的那樣，超強超短激光令人期待，“最精彩的尚未到來。”