啁啾脈衝放大35周年

2021-02-22 Thorlabs索雷博

1985年12月1日，Donna Strickland和Gérard Mourou正式地正式發表了讓他們榮獲2018年諾貝爾物理學獎的文章。這篇短短三頁的文章為產生最短和最強的雷射脈衝奠定了技術基礎：啁啾脈衝放大(CPA)。

Donna Strickland
1985年，羅切斯特

之所以說正式地正式，是因為兩次正式之間發生了一個小插曲：文章其實在同年10月份就已發表過一次，但是期刊在印刷雷射史上最重要的文章之一時不經意把CPA裝置圖錯放成了氣體色譜實驗圖，所以再次發表時標題後加了個星號。科研也是充滿意外啊。

Compression of Amplified Chirped Optical Pulseshttps://doi.org/10.1016/0030-4018(85)90120-8

雖然說此文一出，其餘皆為歷史，但是不妨讓我們在這個特殊的月份簡要回顧一下這段歷史。

在1960年雷射器發明後的五年內，桌面雷射系統經歷一系列技術突破達到吉瓦量級，但隨後20年發展緩慢，最高功率無法進一步提高。提高功率的唯一途徑是建造更大的雷射器，因為超過強度限制後，光學組件中將形成有害的非線性效應，降低光束質量，甚至導致損壞。直到1985年啁啾脈衝放大(CPA)技術出現後，光學損傷問題才得以避開。桌面雷射功率隨後迅速躍升。CPA技術可用於所有的超短脈衝放大器，從很小的光纖放大器到極大的慣性約束核聚變設施。

啁啾的意思是使脈衝在時域展寬。對於啁啾脈衝放大技術，第一步是通過振蕩器產生短脈衝，使用一對光柵(或其它裝置)將其展寬，經常展寬1千到10萬倍，峰值功率因此降低相同量級。展寬脈衝隨後通過標準放大器使能量提高1千到10萬倍。最後，放大的高能量脈衝通過一對光柵(有時工作在真空中)再次壓縮到初始脈寬，此時峰值功率可能已超過放大器的承受極限1千到10萬倍。

超高強度的桌面雷射系統把大科學裝置帶到標準大學實驗室

舉例而言，假設種子脈衝具有100 fs脈寬和0.2 nJ能量。我們將其展寬1萬倍至1 ns，此時峰值功率從約2 kW降至0.2 W，然後將其放大10個量級至2 J和2 GW。當脈衝再次壓縮至100 fs後，峰值功率達到20 TW。如果不用這種方法，只有2 kW的初始脈衝通過桌面放大器就可能導致損壞。有了CPA技術，我們能夠使用傳統雷射放大器但是規避非線性效應。

CPA在Thorlabs還有一個特殊的意義：籠板對準(Cage Plate Alignment)。這種酷似T恤設計的雷射對準工具，每年有數千個走進全世界的光子學實驗室，方便用戶在籠式系統中對準光路。就像啁啾脈衝放大可分多條光路進行，還可結合光參量放大方式，我們的籠式系統對準板在大小、材料和細節設計上也各有不同，為用戶提供最大的便利。

Thorlabs T恤傳統的體現

CPA1, CPA2, CPA3 & SCPA1...

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