啁啾脉冲放大技术——从超快激光技术到超强物理世界

2018年的诺贝尔奖揭晓,3位科学家因在光学技术领域作出的开创性发明而获得物理学奖。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。作为突破高强度激光发展瓶颈的重大技术创新,CPA技术自发明以来一直是激光物理研究、特别是超快激光研究的核心技术。文章将主要简述该技术发明的相关背景、原理、结构及所导致的激光进展和开拓的超强物理应用。     

光梳与光钟

 2005年10月4日,在光学领域的理论和应用方面做出卓越贡献的3位科学家荣获诺贝尔物理学奖。美国的罗伊·格劳伯因为对光学相干的量子理论的贡献而获得奖金的一半,美国约翰·霍尔和德国的特奥多尔·亨施因为对激光精密光谱学发展做出的重要贡献而分享另一半奖金。格劳伯早在1963年就通过自己先驱性的工作,提出了“相干性的量子理论”,不仅解决了一些基础性问题,而且也为一门全新的学科---量子光学的创立奠定了基础,他也因此被誉为“量子光学之父”。而霍尔和亨施则在利用激光进行超精密光谱学测量方面成就斐然,尤其是为完善“光梳”技术做出了重要贡献。     

百太瓦级超短超强钛宝石激光装置研制

近年来，随着相关领域的发展,尤其是啁啾脉冲放大（Chirped Pulse Amplification．CPA）技术的出现，使得超短脉冲激光的峰值功率的进一步提高，输出功率已能达到百TW或PW以上，聚焦功率密度可达到10^2W／cm^2.CPA技术的基本思路是将非常窄的种子光脉冲在时域上展宽，然后在放大器中充分的提取能量，最后将激光脉冲压缩到接近初始的脉冲宽度．从而获得极高的峰值功率，如图1所示如此超高强度的激光脉冲，可以创造极端的物态条件，用于研究相对论领域的光与物质相互作用，如超快x光激光产生、超高次谐波产生、激光尾波场粒子加速、实验室天体物理学及快点火机制等。随着超短超强脉冲激光装置性能的提高和研究工作的进一步深入，超短超强脉冲激光将会在军事、科技和民用方面呈现广阔的应用前景。     

飞秒激光放大的奠基性发明及其能力边界的突破

2018年度诺贝尔物理学奖的一半授予了法国科学家莫罗(G. Mourou)和加拿大科学家斯特里克兰(D. Strickland),以表彰他们对超短超强激光领域的奠基性贡献。他们发明的啁啾脉冲放大(CPA)方法解决了飞秒激光放大的问题,使得超快走向超强,诞生了超短超强激光新技术,也改变了人类的生活。文章将从新的视角解读飞秒激光放大的CPA方法,分析该领域的研究现状,讨论其未来创新发展趋势,深度思考如何拓展超短超强激光的能力边界。     

基于深度学习的光纤超短脉冲啁啾放大研究

全光纤超短脉冲啁啾放大技术在激光技术和超快光学领域备受关注。针对传统数值方法分析光纤中超短脉冲啁啾放大过程存在计算量大、效率低等问题,采用深度学习方法开展全光纤超短脉冲啁啾放大过程建模研究。首先分析脉冲啁啾参量等参数对超短光脉冲传输过程的影响。预训练设计的深度神经网络模型,分析网络对不同初始脉冲啁啾参量的预测精度,进一步探索了不同初始脉冲半峰全宽、峰值功率和啁啾参量等复杂情况下网络的泛化性及预测精度。本研究拓宽了数据驱动方法在激光行为预测方面的应用,为光纤中超短脉冲的特性研究提供了新思路。     

大口径啁啾脉冲放大激光系统光的谱剪切分析

啁啾脉冲放大（CPA）技术为获得拍瓦级峰值功率和102^20W／cm^2高峰值聚焦功率密度提供了技术手段，从而使“快点火”成为可能。啁啾脉冲放大的原理是：超短脉冲激光先经过展宽器展宽，再进入放大器放大，最后放大脉冲经过压缩器压缩输出超短脉冲。展宽器和压缩器均由光栅对构成，展宽器通过引入正色散获得正啁啾脉冲，压缩器与展宽器共轭引入负色散补偿正啁啾获得超短脉冲输出。啁啾脉冲在展宽、放大和压缩中存在光谱剪切（或称光谱变化）和高阶分布，从而对输出脉冲时空特性产生影响。     

多层介质膜脉冲宽度压缩光栅与超短脉冲作用时的性能分析

基于啁啾脉冲放大技术的超短脉冲激光系统是提供超快、超强激光的重要途径，具有良好输出波形和高损伤阈值的多层介质膜脉冲宽度压缩光栅是获得高峰值功率脉冲激光的关键. 基于傅里叶谱变换方法和严格模式理论，分析了多层介质膜光栅(MDG)在超短脉冲作用下的光学特性. 结果表明，当MDG的反射带宽小于具有高斯分布的入射脉冲的频谱宽度时，-1级反射脉冲呈非对称高斯分布，其前沿出现振荡，并且-1级反射脉冲能量开始剧烈下降. 讨论了MDG结构参数对其反射带宽的影响. 分析了MDG与超短脉冲作用时的近场光分布，对提高其抗激光损 关键词： 脉冲压缩光栅 傅里叶谱变换 模式理论 损伤阈值     

超短超强激光驱动新型粒子加速器:机遇和挑战

2018年诺贝尔物理学奖授予了因发明"光学镊子"和"啁啾激光脉冲放大"两项重大技术的3位科学家。其中啁啾激光脉冲放大技术使得人们在实验室获得了前所未有的超短超强激光脉冲。文章简要介绍了由超短超强激光开拓的新兴科学前沿,特别是这种强激光技术推动下的新型粒子加速器研究的发展、机遇和挑战。     

基于光参量过程直接产生高重频超短脉冲序列

论证了单晶体光参量放大（OPA）过程在特定边界条件下满足频域宇称-时间（PT）反对称性。归一化的数值求解结果显示,OPA系统PT对称阈值点附近呈现增益跃变性质。对于存在位相失配的OPA,通过实时调控泵浦光强,即可控制系统PT对称性,论文基于相位失配OPA中可超快调控PT对称性的特性构建了超快光开关,一方面光开关与周期性幅度调制的泵浦光联合使用,可直接将连续激光转换为超短脉冲序列输出;另一方面,构建的光开关也可用于脉冲激光再压缩,有望用于中红外波等长波段超短种子源。论文提出的基于超快光开关直接产生超短脉冲序列的方案,由于不需要光学谐振腔,易于实现大于10 GHz的超高重复频率。     

电子束泵浦KrF激光器进行超短脉冲的单束放大实验研究

 电子束泵浦KrF激光器口径大、泵浦率高，可直接用于进行超短脉冲激光的放大。用天光一号电子束泵浦KrF激光器进行超短脉冲激光放大，将超短脉冲激光放大到2~3J、1.2ps, 激光功率达到2TW。测量了石英窗镜中的非线性吸收系数和超短脉冲激光脉宽的变化。     

新可调谐超短脉冲OPA——OPerA-TOPAS-White

Coherent（相干）公司（www．coherent．com．cn）推出新的非共线光参量放大器（NOPA）OPerA^TMTM-TOPAS-White，可以从紫外到近红外连续调谐．即使采用脉冲宽度超过100fs的钛宝石超快放大器泵浦，非共线设计使OPerA-TOPAS-White仍然能够输出25fs以下的超短激光脉冲．相比之下，采用传统OPA获得超短脉冲需要更复杂而且更昂贵的超短卖出放大器系统泵浦．     

新可调谐超短脉冲OPA OPerA-TOPAS-White

Coherent（相干）公司（www．coherent．com．cn）推出新的非共线光参量放大器（NOPA）OPerA^TMTM-TOPAS-White，可以从紫外到近红外连续调谐．即使采用脉冲宽度超过100fs的钛宝石超快放大器泵浦，非共线设计使OPerA-TOPAS-White仍然能够输出25fs以下的超短激光脉冲．相比之下，采用传统OPA获得超短脉冲需要更复杂而且更昂贵的超短卖出放大器系统泵浦．     

新可调谐超短脉冲OPA：OPerA-TOPAS-White

Coherent（相干）公司（www．coherent．com．cn）推出新的非共线光参量放大器（NOPA）OPerA^TMTM-TOPAS-White，可以从紫外到近红外连续调谐。即使采用脉冲宽度超过100fs的钛宝石超快放大器泵浦，非共线设计使OPerA—TOPAS—White仍然能够输出25fs以下的超短激光脉冲。相比之下，采用传统OPA获得超短脉冲需要更复杂而且更昂贵的超短卖出放大器系统泵浦。     

光磁相互作用及自旋极化的光学调控

近年来,超短激光脉冲的发展为人们在极端时间尺度上研究光与物质的相互作用提供了有 效工具。皮秒时间尺度上研究磁有序材料中的自旋动力学过程已经成为凝聚态物理研究的热点, 促进了自旋电子学的发展。本论文基于飞秒激光抽运–探测技术,介绍了半导体及其纳米结构中 光注入自旋极化及其弛豫过程;综述了铁磁性薄膜中的超快退磁,激光诱导磁阻尼进动和逆法拉 第效应; 利用太赫兹脉冲的磁场分量,研究了反铁磁晶体中自旋共振模式的激发,相干控制以 及自旋重取向的探测; 最后介绍了超快光谱用于研究多铁性材料中电子、晶格和自旋间的耦合。 了解不同材料在超快时间尺度上的磁光、光磁效应的最新进展,有助于在磁有序的超快光控制研 究领域做出原创性的工作。     

富勒烯有机-无机杂化材料的非共珍三阶非线性光学特性

采用中心波长800 nm、脉宽30 fs的超短激光脉冲,通过飞秒光开关技术（Optical Kerr Shutter,OKS）对富勒烯有机-无机杂化材料的飞秒超快非线性特性进行了实验研究.获得270 fs的开关时间,所得的富勒烯有机-无机杂化材料的三阶非线性系数χ(3)约为4.5×10－14 esu,比C60分子的三阶非线性系数χ(3)高一个数量级.通过实验测定的光克尔信号强度与激发光和探测光偏振方向夹角的依赖关系表明：30 fs的超短激光脉冲激发富勒烯有机-无机杂化材料的克尔信号主要是源于光诱导双折射效应,而非用200 fs的超短激光脉冲时来自瞬态栅的自衍射效应.     

飞秒激光脉冲的高效率放大研究

 介绍了采用多通放大的飞秒脉冲掺钛蓝宝石激光放大系统,分析讨论了提高放大效率及缩短脉冲宽度的技术方法。在仅用能量290mJ的倍频Nd:YAG激光泵浦下,得到了输出峰值功率大于1.4TW、脉宽25fs、重复频率10Hz的超短超强激光脉冲。     

基于“神光-Ⅱ”装置的飞秒拍瓦级光学参量啁啾脉冲放大的特性分析与系统设计

用计算机仿真分析了光学参量啁啾脉冲放大（OPCPA）的特性及其影响因素（如相位失配、高阶非线性效应等）-就脉冲放大机理、时间同步、光谱漂移、增益窄化等相似问题与现有的啁啾脉冲放大技术做了比较与讨论-基于“神光-Ⅱ”装置，设计了飞秒拍瓦级OPCPA系统，以期望实现快点火- 关键词： 超短超强激光 啁啾脉冲放大 光学参量啁啾脉冲放大 数值模拟     

高功率超短脉冲激光系统的进展

评述了超高功率亚皮秒脉冲产生的物理基础。峰值功率和照度的增加直接起因于啁啾脉冲放大技术。考查了超短脉冲的产生、展宽、放大和压缩。讨论了发展和设计太瓦－拍瓦激光的方案和一般问题。     

抽运光中ASE噪声对OPCPA信噪比的影响

惯性约束核聚变快点火实验,要求拍瓦终端输出再压缩的高信噪比超短激光脉冲.在拍瓦前端光参变啁啾脉冲放大(OPCPA)阶段,抽运激光脉冲中由放大的自发辐射(ASE)噪声调制导致的电场强度振幅和相位的随机扰动.将会被传递到信号光的光谱E.使再压缩后主激光脉冲前后出现底座.降低了信号光的信噪比.数值模拟了抽运激光脉冲中ASE噪声对信噪比以及对时间底座的宽度的影响,并探讨了有利于提高超短激光脉冲信噪比的途径.     

1 kHz-0.1 TW高效率钛宝石激光放大器

介绍了一种高重复频率掺钛蓝宝石飞秒激光多通高效率放大系统.在抽运功率为23 W，入射功率为660 mW时，获得7.2 W的放大输出，放大效率达30%.经压缩器压缩后，获得单脉冲能量4.5 mJ,脉冲宽度为 38 fs，重复频率为1 kHz，峰值功率大于0.1 TW的超短超强激光脉冲. 关键词： 飞秒脉冲 高重复频率 啁啾脉冲放大