谈2018年诺奖中的啁啾脉冲放大技术

2018年诺贝尔物理学奖除给了光镊发明者Arthur Ashkin，另一部分给了啁啾脉冲放大技术（CPA）的发明者Mourou先生和他的学生Strickland教授。既出人意料，也在意料之中。

飞秒激光脉冲的放大，在很长时间内是令人头痛的问题。主要问题是，极短的脉冲不利于吸收放大介质中的能量，和高峰值功率极易破坏放大器中的光学元器件。

对后者，简单的解决方法是，将脉冲的光束截面扩大，以减少单位面积内的脉冲能量和功率。可是，面积的扩大可能会带来泵浦能量密度的减少，更不利于吸收增益介质储存的能量。而且，光束面积的扩大是有限的。

Mourou先生及其学生Strickland，联想到雷达放大技术。雷达脉冲放大，就是利用雷达脉冲的宽带频谱，把雷达脉冲调制为频域的啁啾（类似鸟的叫声），在时域就是脉冲的展宽，再放大，以避免高峰值功率破坏的。能不能把这个技术移植到激光脉冲放大呢？因为飞秒激光脉冲本身也对应着非常宽的光谱。利用色散技术（不同的波长速度不同），将脉冲在时域展宽，然后再放大，不就既能避免放大中的光学损伤，又能更有效地获取增益了吗？接下来的问题是，介质材料的色散实在太小，有限长度内展宽不了多少。所幸的是，时间已至1980年代中期，光纤技术已经成熟。用光纤啊！于是，他们就用几公里的光纤，把脉冲展宽到了几百皮秒。后面的放大就顺理成章了。因为是利用频率的啁啾将脉冲展宽再放大的，这种技术就被命名为啁啾脉冲放大技术（chirped pulse amplification，CPA）。放大后，脉冲再压缩原来的宽度。但是发现，因为高阶色散的失配，光纤展宽后的脉冲再压缩并非完美。直到光栅脉冲展宽器发明，光纤脉冲展宽器才被淘汰（当然有的场合还在用），脉冲压缩才逐渐完美。这是后话了。

这个发明可不得了。飞秒脉冲的峰值功率从原来的千瓦级，一下子就蹿升到了兆瓦（10⁶W），到太瓦（10^12W），直到现在的拍瓦（10¹⁵W）【见下图】。所以，Mourou/Strickland师生获得诺奖，也当之无愧。

可是，这个技术能不能得诺贝尔奖，一直就有争议！因为有人认为，这个技术，只不过是将雷达放大技术移植到了激光技术，不能算是原创。

但是诺奖委员会不这么看。他们的思路是，如果没有这个技术，哪怕是移植，能有飞秒激光在科学和工业界的普遍应用吗？能有今天的拍瓦激光吗？能有后来的阿秒脉冲吗？如果没有，这个奖给了Mourou/Strickland师徒就是值得的！

此图虽然有点老，但仍然可以看出，CPA技术的发明，引发了飞秒激光脉冲的峰值功率的飞速提高。