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，坐落于罗马尼亚的一家高科技中心近期激活了世界上最强大的激光器。激光器大家都听说过，了解它是一种非常厉害的光源，发出来的光就是激光，强度大、方向性好、应用范围广，但，这个新闻里的“世界上最强大”体目前哪儿呢？它是如何达成的呢？大伙好，我是姬扬，今天就来讲讲这类事。

发光的东西就是光源，它把能量转化为光。譬如说，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。如何比较这类光的强弱呢？这就需要考虑几个原因，包含光的能量、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，每一个激光脉冲的能量大约是10焦耳，等于一瓶大可乐（大约1公斤）从1米高的桌子掉到地面上获得的能量。假如砸到了你的脚上，会感觉有点疼，但也还能忍受。

然后是照射面积。同样的能量施加在不一样的面积上，成效是非常不同的。这跟用手按图钉的道理是一样的：用途在图钉帽上的力和图钉尖上的力一样大，但你的手指不会受伤，就能把图钉按进木板里。普通光源发出来的光朝着四面八方走，激光具备非常不错的方向性，光的能量可以聚集在非常小的面积上，所以强度（也就是一般说的光强）很大。在4月份的中午，巴掌大的地面上每秒钟同意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，就是大家一般说的功率。同样的能量在不一样的时间长度里释放出来，功率是非常不同的，成效也是大不相同的。譬如说，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非常短的一段时间里释放，所以瞬间的爆发成效就愈加惊人了。

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。

罗马尼亚激光器可以让激光脉冲在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。这是非常难做到的，不只由于1飞秒是非常短的时间，还由于这个峰值功率太大了，什么材料都承受不起，都会被烧坏。为了达成这个了不起的收获，需要使用法国科学家穆鲁在上个世纪80年代创造的啁啾脉冲放大技术，在保证激光强度的同时提高其功率。

自从1960年创造激光器以来，科学家们就一直努力提升激光的各项指标，对于脉冲激光器来讲，两个要紧的目的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升到纳秒、皮秒乃至飞秒的量级，但，提升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导致损害，增大激光光束直径，能够帮助减少它的峰值功率，但成效不是特别明显，还对激光晶体的成长也提出了不切实质的需要。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。依据测不准原理，当激光脉冲非常短的时候，激光的波长就有肯定的分布范围。借助光栅或者光纤可以把不同波长的光分开，让它们经过长短不一样的路径将来再重新汇合，如此就能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同的，仿佛鸟叫声的婉转起伏，所以这个现象就叫作“啁啾”。适合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，因为能量守恒，激光脉冲的峰值能量也会降低相应的倍数。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如此的：第一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，由于此时的脉冲宽度非常大，峰值功率非常低，即便放大不少倍也不会损毁激光晶体，单个脉冲可以拥有非常高的能量，然后在反过来应用啁啾系统，把这个能量非常大但持续时间也非常长的激光脉冲挤压到非常短的时间里，就能得到能量非常大、持续时间非常短的激光脉冲了。

啁啾激光放大技术尤为重要，罗马尼亚激光器只不过一个典型的代表，那里的科学家们充分发挥了现有些技术方法，或许还创造了而一些新的办法，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飞秒的超短期里。目前从事这方面的研究的国家有不少，国内也有一些单位做出了很出色的工作。

伴随激光科学和技术的进步，高强度的超短光脉冲在不少范围譬如粒子物理学、核物理学、医学等都展示了我们的价值。大家期望它在以后会有更多的进展，得到更广泛的应用。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

出品：中国科协科普部

监制：中国科技出版社公司、北京中科星河文化传媒公司

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