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談2018年諾獎(jiǎng)中的啁啾脈沖放大技術(shù)

2019-02-21 來(lái)源:科學(xué)網(wǎng)博客 作者:張志剛 字號(hào):

2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)除給了光鑷發(fā)明者Arthur Ashkin,另一部分給了啁啾脈沖放大技術(shù)(CPA)的發(fā)明者M(jìn)ourou先生和他的學(xué)生Strickland教授。既出人意料,也在意料之中。

飛秒激光脈沖的放大,在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)是令人頭痛的問題。主要問題是,極短的脈沖不利于吸收放大介質(zhì)中的能量,和高峰值功率極易破壞放大器中的光學(xué)元器件。

對(duì)后者,簡(jiǎn)單的解決方法是,將脈沖的光束截面擴(kuò)大,以減少單位面積內(nèi)的脈沖能量和功率。可是,面積的擴(kuò)大可能會(huì)帶來(lái)泵浦能量密度的減少,更不利于吸收增益介質(zhì)儲(chǔ)存的能量。而且,光束面積的擴(kuò)大是有限的。

Mourou先生及其學(xué)生Strickland,聯(lián)想到雷達(dá)放大技術(shù)。雷達(dá)脈沖放大,就是利用雷達(dá)脈沖的寬帶頻譜,把雷達(dá)脈沖調(diào)制為頻域的啁啾(類似鳥的叫聲),在時(shí)域就是脈沖的展寬,再放大,以避免高峰值功率破壞的。能不能把這個(gè)技術(shù)移植到激光脈沖放大呢?因?yàn)轱w秒激光脈沖本身也對(duì)應(yīng)著非常寬的光譜。利用色散技術(shù)(不同的波長(zhǎng)速度不同),將脈沖在時(shí)域展寬,然后再放大,不就既能避免放大中的光學(xué)損傷,又能更有效地獲取增益了嗎?接下來(lái)的問題是,介質(zhì)材料的色散實(shí)在太小,有限長(zhǎng)度內(nèi)展寬不了多少。所幸的是,時(shí)間已至1980年代中期,光纖技術(shù)已經(jīng)成熟。用光纖啊!于是,他們就用幾公里的光纖,把脈沖展寬到了幾百皮秒。后面的放大就順理成章了。因?yàn)槭抢妙l率的啁啾將脈沖展寬再放大的,這種技術(shù)就被命名為啁啾脈沖放大技術(shù)(chirped pulse amplification,CPA)。放大后,脈沖再壓縮原來(lái)的寬度。但是發(fā)現(xiàn),因?yàn)楦唠A色散的失配,光纖展寬后的脈沖再壓縮并非完美。直到光柵脈沖展寬器發(fā)明,光纖脈沖展寬器才被淘汰(當(dāng)然有的場(chǎng)合還在用),脈沖壓縮才逐漸完美。這是后話了。

這個(gè)發(fā)明可不得了。飛秒脈沖的峰值功率從原來(lái)的千瓦級(jí),一下子就躥升到了兆瓦(106W),到太瓦(10^12W),直到現(xiàn)在的拍瓦(1015W)【見下圖】。所以,Mourou/Strickland師生獲得諾獎(jiǎng),也當(dāng)之無(wú)愧。

可是,這個(gè)技術(shù)能不能得諾貝爾獎(jiǎng),一直就有爭(zhēng)議!因?yàn)橛腥苏J(rèn)為,這個(gè)技術(shù),只不過(guò)是將雷達(dá)放大技術(shù)移植到了激光技術(shù),不能算是原創(chuàng)。

但是諾獎(jiǎng)委員會(huì)不這么看。他們的思路是,如果沒有這個(gè)技術(shù),哪怕是移植,能有飛秒激光在科學(xué)和工業(yè)界的普遍應(yīng)用嗎?能有今天的拍瓦激光嗎?能有后來(lái)的阿秒脈沖嗎?如果沒有,這個(gè)獎(jiǎng)給了Mourou/Strickland師徒就是值得的!

此圖雖然有點(diǎn)老,但仍然可以看出,CPA技術(shù)的發(fā)明,引發(fā)了飛秒激光脈沖的峰值功率的飛速提高。

主題閱讀:雷達(dá)
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