从超短光到超短超强光的突破——解读获2018年诺贝尔物理学奖的啁啾脉冲放大技术

李 焱 杨 宏

(北京大学物理学院，北京 100871)

2018年的诺贝尔物理学奖颁给了在光学技术领域作出开创性发明的3位科学家[1-5]，其中Arthur Ashkin教授因为发明光镊技术(Optical Tweezer)分享了一半的奖金；Gérard Mourou教授和Donna Strickland副教授因共同发明啁啾脉冲放大技术(Chirped Pulse Amplification，CPA)分享了另一半奖金。啁啾脉冲放大技术是超高峰值功率超短脉冲激光发展的一个重要里程碑，极大推动了超强超短激光和强场激光物理等研究领域。那么，这项1985年的发明有何神通能突破超短脉冲放大的瓶颈呢？本文从技术原理层面进行简要解读。

1 超短脉冲的产生

1960年5月16日，美国加州休斯实验室的科学家梅曼发明了激光器，现在各种激光器遍及科学、工业、通信及娱乐领域，并成就了20多项诺贝尔奖工作。这个日子，也被联合国教科文组织定为“国际光日”(International Day of Light)，旨在强调光和激光在现代社会中的重要作用，特别是在科学、文化、艺术和教育以及可持续发展、医药、通信、能源等多个领域的重要作用。

1962年，调Q(Q-switching)技术的诞生使得激光脉冲进入纳秒(ns，1ns=10-9s)量级。通过调Q激光技术获得的最窄脉冲宽度近似等于光在腔内往返一周所需要的时间，通常在纳秒量级，无法获得更短的激光脉冲。

1964年，锁模(Mode-locking)技术被发明，使得脉冲宽度进一步压缩至皮秒(ps，1ps=10-12s)。在Mourou 等人CPA的首次实验中，所用的正是脉宽长为150ps的这类锁模激光器。这样长的脉宽不仅不能有效体现CPA的意义，而且也限制着放大后所能得到的压缩脉宽及峰值功率。1970年，连续染料激光的出现极大地推动了锁模激光器的发展。1974年，利用腔外光栅对压缩在染料激光器上获得了300飞秒(fs，1fs=10-15)的激光运转。1981年，利用碰撞脉冲锁模(Colliding Pulse Mode-locking)获得了190fs的激光脉冲，使得激光技术的发展进入了飞秒时代。1987年，人们进一步利用腔外压缩技术产生了6fs的激光脉冲，这一结果在随后的十几年间一直是世界上最短的激光脉冲。但是，染料激光的饱和强度很低，难以获得很高强度的激光输出，同时调谐范围也很有限，这些都大大地限制了它的应用和研究范围。1986年，掺钛蓝宝石固体激光器诞生，特别是1991年克尔透镜锁模(Kerr-Lens Mode-Locking，KLM)技术的运用，开创了超短激光器的新时代。目前，国际上有多个课题组通过精确补偿激光脉冲的色散，能够直接产生10fs乃至5fs的脉冲，这种非常稳定的极短激光脉冲自然成为CPA技术的理想种子光源[6]。

锁模激光技术的基本原理如图1所示。激光谐振腔中存在大量等频率间隔(Δνq)的纵模，如果这些模式之间没有固定的相位关系，合成的将是一系列不规则的宽度较宽而高度较低的杂乱脉冲。如果在腔中加入损耗调制元件或通过克尔非线性作用等特殊的方法，使得不同的振荡纵模之间建立起确定的(“锁定”的)相对相位关系，比如图1中所有模式都在t0时刻同步，此刻各模式相位相同，都处于电场最大值的位置。这样，每个模式与其他模式之间保持固定的相位关系，而必然伴随着一种多纵模间的相干作用，导致输出激光呈现为一系列规则的脉冲序列。

图1 锁模产生超短脉冲示意图

每个光脉冲的电场E(t)快速振荡，但其包络A(t)可以相对缓慢变化，其时间宽度Δτ由维持同步振荡的纵模数目所决定，纵模数越多，脉冲宽度越窄。为了获得尽可能窄的脉冲宽度，必须采用具有较大增益带宽的工作介质。设激光器实际支持的频谱宽度为Δν，则有Δτ·Δν=K，K是接近1的常数。对于图1所示的时间域和频率域均为高斯函数的高斯脉冲，K=0.441。

对于已经锁模的激光，经过一个周期(TR=2L/c)后，又会输出一个脉冲，并且有TR·Δνq=1，其中L为激光腔长度，c为光速。为了画图方便，图1只选择了11个纵模进行叠加，但是已经可以看出，输出的脉冲宽度已经很窄了。对于腔长在米量级(L～m)的飞秒激光器，Δνq在108Hz量级，带宽Δν在1014Hz量级，同时锁定的纵模模式数目(N=Δν/Δνq)在106量级。上百万个纵模锁模后，就产生了脉冲宽度在几十飞秒的超短脉冲。飞秒光频梳就是利用了脉冲中存在大量等间隔频率的特点。

人们追求更短脉冲的脚步越来越快。2001年前后，利用短飞秒的钛宝石激光轰击惰性气体产生高次谐波，获得了脉冲宽度为250阿秒(as, 1as=10-18s)的脉冲串和大约600as的脉冲。2004年，得到脉宽为250as的孤立脉冲，将超短激光脉冲和超快光学研究领域的能力推进到了阿秒量级。2012年，获得了67as的孤立脉冲。2017年，产生脉宽仅仅43as，成为最新的相干光脉冲世界纪录！理论上已经证明，如果用拍瓦(PW, 1PW=1015W)的激光激发时，能够产生仄秒(zs，1zs=10-21s)和亚仄秒的激光脉冲。真是没有最快，只有更快！

飞秒有多短？光1秒钟传播30万km，可以环绕地球7圈半，但光在1fs内只能走0.3μm，还不到一根头发丝直径的1%。如果将真实的1s压缩成1fs，已经存在了140亿年的宇宙就变成7.4分钟。

谈到超短脉冲的脉冲宽度时，经常遇到皮、飞、阿等词头，它们代表的因数如表1所示。下面我们讨论超短脉冲的峰值功率时，又会遇到太、拍、艾等词头，也在表1中一并列出。

表1 一些词头代表的因数、中英文名称和符号

众所周知，要想探测随时间快速变化的过程，只能采用比此过程更短的闪光进行拍照。超短激光脉冲就像一个超快的闪光灯，由于它的闪光过程非常短，因此微观世界的动态过程就可以被一个个闪光照亮并记录下来，就像在时间上提供了一把具有极小刻度的标尺。原子和分子是组成物质的基本单元，分子中的原子核和原子分子中的电子都在做着高速运动。原子核间的转动发生在皮秒量级、振动发生在飞秒量级，而电子在原子分子内部的运动通常发生在阿秒量级，例如氢原子里基态电子绕原子核运动一周的时间大约是150as。人们要了解这些过程，不得不借助超短激光。

2 超短脉冲放大的瓶颈

极短的脉冲宽度，不仅使超短激光脉冲具备超快的时间测量能力，还能使很弱的单脉冲能量产生亿瓦级的峰值功率(能量除以脉冲宽度)。如果在10fs的时间内将看起来微不足道的1mJ能量释放出来，峰值功率将达到1011W，聚焦后峰值功率密度(峰值功率/聚焦光斑的面积)可以达到1017W/cm2。

目前，科学家们已能将这种能量提高到百焦耳以上，最大峰值功率已达到10PW，可以产生接近太阳内部强度的电磁场环境。超强超短激光经聚焦的最高光强已达到1022～23W/cm2量级。自然界中已知的最高光强是达到1020W/cm2量级的宇宙伽马射线暴的强度，所以超强超短激光被认为是已知的最亮光源。

超强激光为强电磁场下的物理和化学过程研究提供了独一无二的科学工具，在台式化加速器、激光聚变、核物理与核医学、高能物理等领域均有重大应用价值。如今，飞秒激光具有在低能量下获得高强度的特点，已经在先进制造和生物医学等领域得到广泛的应用[7-10]。

激光脉冲的峰值功率=单脉冲能量/脉冲宽度，所以，激光脉冲的时间尺度即脉冲宽度越短或激光脉冲的能量越大，对应的峰值功率就越大。为了获得极高的峰值功率，科学家不仅需要缩短激光脉冲的时间尺度，同时还需不断放大激光脉冲的能量。但是，直接放大超短激光脉冲的能量很快就遇到了难以逾越的瓶颈。因为直接放大过程中，超高峰值功率密度极易损坏放大器中增益介质和其他透射式光学元器件，自我毁坏激光器。另外，直接放大的超短脉冲时间尺度太短，不利于高效吸收放大增益介质中的全部能量。

在1985年CPA技术出现之前，激光功率密度经历了近20年的平台区，没有明显突破。为了降低激光腔内过高的峰值功率密度，最简单直接的方法就是扩大增益介质口径和聚焦光斑的面积，但对提高能量非常有限。为了增加1万倍的激光聚焦功率密度，我们就需要把原有的激光晶体直径和相关光学元器件的尺寸增大百倍，庞大的尺寸实际是不可行的。

直接放大超短激光脉冲此路不通，如何突破这个瓶颈呢？获得2018年诺贝尔物理学奖的啁啾脉冲放大技术闪亮登场。

3 啁啾脉冲放大技术

什么是啁啾脉冲？

前面说过，超短脉冲必然不是单色光，而是含有大量纵模，通过锁模技术形成的。脉冲宽度Δτ越短，通常频谱Δν越宽。每个频率成分以自己的相速(vp=ω/k)传播，波包则以群速(vg=dω/dk)传播，其中的ω为时间角频率(ω=2πν,ν为时间频率)，k为波矢大小(k=2π/λ，λ为波长)。 一般Δτ·Δν≥K，K是接近1的常数。时间强度I(t)相同的脉冲，频域上的强度分布I(ω)不一定相同，这取决于脉冲的时间相位因子φ(t)。当φ(t)是常数时，Δτ·Δν=K，乘积取最小值。此时Δτ和Δν两者呈反比关系，如图2所示，这样的脉冲被称为傅里叶变换受限脉冲。也就是说，对于同样的Δν，当频域相位因子φ(ω)为常数时，傅里叶变换获得的脉冲最短。

图3 无啁啾脉冲在正常色散介质中传播时的波包变化

图2 变换受限的脉冲

如果φ(ω)随频率变化，则有Δτ·Δν>K，两者不再是严格的反比关系，而且会导致瞬时频率发生变化，这种不满足傅里叶变换关系的脉冲称为啁啾脉冲。瞬时频率越来越高的，称为上啁啾脉冲，而频率越来越低的叫做下啁啾脉冲。啁啾即鸟鸣声，特征是瞬时频率变化，因而婉转动听。王维在《黄雀痴》里写道，小黄雀“到大啁啾解游飏，各自东西南北飞”。

一个傅里叶变换受限的无啁啾脉冲在真空和无色散介质中传播时，波包的群速和波包宽度不变，如图3(a)所示。但是，在正常色散介质中传播时，波包的群速和波包宽度可能变化。如果只有一阶色散(dk/dω>0)，不同频率成分的相位移动是线性的(图3(b)的点线)，波包宽度也即脉冲宽度和时间无关，但波包延迟到达，图3中相对无色散介质的延迟时间为t1-t0，这就是群速延迟时间。如果同时还存在二阶色散(d2k/dω2>0)带来的群速延迟色散，不同频率成分的相位移动是非线性的(图3(c)的点线)，波包相对无色散介质的延迟时间更长(t2-t0)，波包的瞬时频率越来越高，成为上啁啾脉冲。值得注意的是波包还会展宽，同时幅度减小。当超短的飞秒脉冲进入很厚的色散介质或经过很强的色散元件，出射的脉冲宽度可以有几个量级的展宽，同时幅度有几个量级的降低。CPA技术正是利用了这一特点。如果考虑更高阶的色散和非线性效应，波包还会发生其他变化。

1985年， Mourou和他的学生D.Strickland在《Optics Communications》期刊上发表了提出啁啾脉冲放大(chirped pulse amplification, CPA)技术概念的文章[11]。这是高峰值功率脉冲激光技术发展的一个重要里程碑，开辟了超强超短激光和强场激光物理的新研究方向。下面以飞秒激光脉冲的啁啾放大为例加以说明。

飞秒激光脉冲的CPA技术原理是[12]：首先利用色散将飞秒激光脉冲通过展宽器在时间上展宽几个量级，使脉冲宽度达到几百皮秒甚至纳秒，峰值功率也降低几个量级；展宽后的低功率脉冲在经过激光增益介质放大后，充分提取了激光介质的储能；最后经过与展宽器具有相反色散的压缩器将脉冲宽度压缩至接近最初的脉宽值，得到峰值功率极大的飞秒脉冲，如图4所示。

图4 超短脉冲的啁啾脉冲放大技术的原理示意图

CPA技术可以保证放大前后的脉冲宽度基本一致，而脉冲的能量却可以提高若干数量级，从而大幅度地提升了激光脉冲的峰值功率。这种方法，解决了直接放大时高峰值功率引起介质的非线性效应造成的光学元件损伤、脉冲光斑质量下降等问题，使超短激光脉冲获得了较为理想的放大效果。CPA的发明革命性地改变了超强超短激光领域，获得诺贝尔奖实至名归。目前，全世界的超强超短激光系统都是基于CPA技术而建立的。

如何将超短脉冲展宽？

早期展宽器主要采用单模光纤展宽种子脉冲，但这种展宽技术不仅需要长度达公里量级的光纤，而且损耗大、展宽量低、色散不能调节。现在的飞秒光纤激光器发展到了啁啾光纤光栅、特殊光纤等器件，在提供更多色散量的同时，提高了系统光学性能和工程便利性。固态飞秒激光放大器中多采用光栅展宽器，极大地提高了脉冲的展宽比，而且色散可调，其原理如图5所示。

图5 光栅对展宽器[12]

从振荡器输出的弱飞秒种子光是无啁啾的，不同的频率成分在时间上同步，经过光栅对后，引入正色散，其中波长较长的频率成分(灰色)比波长较短的频率成分(黑色)走的路径短，脉冲被展宽成波长较长的频率成分在前、波长较短的成分在后面的上啁啾脉冲，脉冲被显著拉长，幅度变小。对这种展宽后的脉冲可以充分放大，避免了直接放大中峰值功率过高带来的诸多问题。

如何压缩回超短脉冲？

图6 光栅对压缩器[12]

放大的目的还是要获得超短脉冲，被放大的展宽了的啁啾脉冲还必须压缩回飞秒脉冲。常用的压缩器有光栅对、棱镜对、啁啾反射镜、啁啾体光栅等，提供负的啁啾。下面以光栅对为例说明，如图6所示。与展宽器中相对放置的光栅对不同，压缩器中的光栅对平行放置，它的作用正好与展宽器中的作用相反，提供负色散，波长较短的频率成分(黑色)比波长较长的频率成分(灰色)走的路径短，在输出时正好追上波长较长的频率成分，这样，啁啾脉冲就压缩成为近傅里叶变换受限的无啁啾脉冲，但是强度大大增加。这种峰值功率极高的超短脉冲是正好在激光器输出时形成的，不会再损坏激光器本身。

超强超短激光(峰值功率>1TW，脉冲宽度<100fs)的出现与迅猛发展，为人类提供了前所未有的极端物理条件与全新实验手段。2006年，在Mourou教授的倡议和推动下，欧盟10多个国家的近40家研究院所和科研机构联合提出的极端光设施(extreme light infrastructure，ELI)计划，拟发展峰值功率200PW级超强超短激光装置，主要科学目标是面向100GeV的激光加速、面向Schwinger场的真空结构研究(1～10)keV相干X射线产生与阿秒科学研究和光核物理研究。

英国和法国正紧锣密鼓地开展各自10PW级超强超短激光装置的研制工作。俄、美、德等国也纷纷提出了各自的10PW级乃至100PW级超强超短激光装置研究计划，如美国75PW的光参量放大束线(optical parametric amplifier line，OPAL)计划、俄罗斯180PW的艾瓦中心极端光学研究(Exawatt Center for extreme light studies，XCELS)计划等。我国开展拍瓦级超强超短激光及其应用研究的主要机构包括中国科学院上海光学精密机械研究所、中国工程物理研究院激光聚变中心和中国科学院物理研究所等。其中上海超强超短激光实验装置的目标是建成世界首套30fs、10PW超强超短激光系统。

2011年，Mourou教授领导成立了一个新的国际研究中心——国际泽瓦艾瓦科技中心(The International Center for Zetta-Exawatt Science and Technology，IZEST)，目前全世界已有30多家研究单位加盟。Mourou教授希望依托该中心研究出新一代的激光技术，能够将激光的峰值功率在现在的水平上继续提高3～5个数量级。正如他在很多场合所说的那样，超强超短激光令人期待，“最精彩的尚未到来。”