世上最强激光器激活！什么是啁啾脉冲放大技术

姬扬

2024年4月有新闻报道说，位于罗马尼亚的一家高科技中心最近激活了世界上最强大的激光器。激光器我们都听说过，知道它是一种很厉害的光源，发出来的光就是激光，强度大、方向性好、应用范围广，但是，这个新闻里的“世界上最强大”体现在哪里呢？它是怎么实现的呢？大家好，我是姬扬，今天就来讲讲这些事。

发光的东西就是光源，它把能量转化为光。比如说，燃烧的蜡烛把化学能转化为光，明亮的太阳把原子能转化为光，发光二极管把电能转化为光。怎么比较这些光的强弱呢？这就需要考虑几个因素，包括光的能量、照射面积和持续时间，等等。

先考虑能量。罗马尼亚激光器发出的是脉冲式的激光，每个激光脉冲的能量大约是10焦耳，相当于一瓶大可乐（大约1公斤）从1米高的桌子掉到地面上获得的能量。如果砸到了你的脚上，会觉得有点疼，但也还能忍受。

然后是照射面积。同样的能量施加在不同的面积上，效果是很不一样的。这跟用手按图钉的道理是一样的：作用在图钉帽上的力和图钉尖上的力一样大，但是你的手指不会受伤，就可以把图钉按进木板里。普通光源发出来的光朝着四面八方走，激光具有很好的方向性，光的能量可以聚集在很小的面积上，所以强度（也就是通常说的光强）非常大。在四月份的中午，巴掌大的地面上每秒钟接受的太阳光能量大约就是10焦耳，而罗马尼亚激光器的光束宽度只有几毫米，所以它们的光强也就差出几十万、几百万倍了。

还要考虑持续的时间。能量除以时间，就是我们通常说的功率。同样的能量在不同的时间长度里释放出来，功率是很不一样的，效果也是大不相同的。比如说，小明扶着老奶奶过马路，和警察一脚踹在流氓的屁股上，他们付出的总能量可能差不多，但是老奶奶安全地到达了马路对面，而坏人却直接来了个嘴啃泥。太阳光是均匀连续地照射，脉冲式激光器把有限的能量压缩在很短的一段时间里释放，所以瞬间的爆发效果就更加惊人了。

简单地说，衡量一束光的强弱，就是把光的能量除以照射面积，再除以持续时间。同样大小的能量，照射的面积越小，持续的时间越短，光的峰值功率就越大。

罗马尼亚激光器能够让激光脉冲在1飞秒内达到10拍瓦的峰值，也就是说，把10焦耳的光能量压缩到1飞秒也就是1000万亿分之一秒的光脉冲里。这是很难做到的，不仅因为1飞秒是很短的时间，还因为这个峰值功率太大了，什么材料都承受不起，都会被烧坏。为了实现这个了不起的成就，必须采用法国科学家穆鲁在上个世纪80年代发明的啁啾脉冲放大技术，在保证激光强度的同时提升其功率。

自从1960年发明激光器以来，科学家们就一直努力提高激光的各项指标，对于脉冲激光器来说，两个重要的目标是增大单个脉冲的能量和缩短脉冲的宽度。通过调Q、锁模和克尔透镜锁模等超快激光技术，科学家可以把激光脉冲从毫秒的量级提高到纳秒、皮秒乃至飞秒的量级，但是，提高单个脉冲激光的能量，需要在增益介质（也就是激光晶体）中对激光脉冲进行放大，困难就来了。超高的激光峰值功率会对增益介质造成损害，增大激光光束直径，有助于降低它的峰值功率，但是效果不是特别明显，还对激光晶体的生长也提出了不切实际的要求。啁啾脉冲放大技术就应运而生了。

激光是量子现象，也要服从量子力学的规律。根据测不准原理，当激光脉冲很短的时候，激光的波长就有一定的分布范围。利用光栅或者光纤可以把不同波长的光分开，让它们经过长短不同的路径以后再重新汇合，这样就可以把脉冲的持续时间拉长，不同波长也就是频率的光到达的时间是不一样的，仿佛鸟叫声的婉转起伏，所以这个现象就叫作“啁啾”。适当设计的系统可以把激光脉冲的宽度拉长几万倍甚至几十万倍，从飞秒的量级拉伸到皮秒甚至纳秒，在此过程中，由于能量守恒，激光脉冲的峰值能量也会下降相应的倍数。当然，反过来也可以，把纳秒或者皮秒的激光脉冲压缩到飞秒的量级。

啁啾脉冲放大技术的工作原理是这样的：首先生成一个小能量的超短激光脉冲（这就是种子光），然后在时间上把它拉伸成一个宽脉冲，随后通过激光晶体进行放大，因为此时的脉冲宽度很大，峰值功率很低，即使放大很多倍也不会损坏激光晶体，单个脉冲可以拥有很高的能量，然后在反过来应用啁啾系统，把这个能量很大但持续时间也很长的激光脉冲挤压到很短的时间里，就可以得到能量很大、持续时间很短的激光脉冲了。

啁啾激光放大技术非常重要，罗马尼亚激光器只是一个典型的代表，那里的科学家们充分发挥了现有的技术手段，也许还发明了而一些新的方法，才创造出迄今最短、最强烈的激光脉冲，把10焦耳的光能量压缩到1飞秒的超短时间里。现在从事这方面的研究的国家有很多，我国也有一些单位做出了非常出色的工作。

随着激光科学和技术的进步，高强度的超短光脉冲在很多领域比如粒子物理学、核物理学、医学等都展现了自己的价值。我们希望它在将来会有更多的进展，得到更广泛的应用。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者名称：姬扬

审核：左玉华 中科院半导体研究所研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 星空计划

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