具有超短脈沖和超高能量的超高強度激光器，是探索物理學、宇宙學、材料科學等領域未知事物的強大工具。在啁啾脈沖放大（CPA）技術的幫助下，目前超高強度激光器的紀錄已經達到了10皮瓦（或1016瓦）。近期，大阪大學的研究人員在《科學報告》發表了一項研究報告，提出了下一代超強激光器的概念，其模擬峰值功率可達到千兆兆瓦級（1千兆兆瓦級等于1000皮瓦）。

1960年，Maiman博士發明的激光器具有高強度（或脈沖激光的高峰值功率）的重要特征：從歷史上看，激光峰值功率經歷了兩個發展階段。激光器誕生后，調Q和鎖模技術將激光器的峰值功率提高到千瓦（103瓦）和吉瓦（109瓦）量級。1985年，GérardMourou和DonnaStrickland發明CPA技術之后，避免了材料損壞和光學非線性，激光峰值功率顯著提高到了太瓦（1012瓦）和皮瓦（1015瓦）量級。

目前，兩個10皮瓦CPA激光器分別在歐洲（ELI-NP激光器）和中國（SULF激光器）進行過演示。世界各國的皮瓦激光器設備規模很大，而且項目的投入資金很高。未來，提高超強激光器峰值功率的發展方向，是通過壓縮脈沖持續時間替代增加脈沖能量。

在大阪大學先前的研究中（OSAContinuum，DOI：10.1364/OSAC.2.001125），研究團隊開發了一種全新的設計?廣角非共線光學參量啁啾脈沖放大（WNOPCPA）技術，以增加放大的光譜，從而減少壓縮的脈沖。WNOPCPA技術的關鍵機制是利用多束泵浦增加帶寬，多束泵浦也對應了不同的放大光譜。“然而，將WNOPCPA技術應用于大型工程，除了可能造成的破壞外，泵浦干擾也是一個潛在問題。”本文作者表示。

在改進設計中，研究團隊通過使用兩光束泵浦WNOPCPA和精心優化的相位匹配，完全避免了泵浦的干擾問題，在雙寬光譜的超寬帶帶寬條件下，實現了小于10fs的高能激光放大。當激光器與后壓縮技術相結合時，非線性效應引起的光譜展寬得到了顯著增強，仿真結果表明激光器的最高峰值功率可以達到千兆兆瓦級。

千兆兆瓦級激光器概念圖（圖片版權：大阪大學）

“這種設計有兩個優點：一是WNOPCPA技術的超寬帶帶寬放大，二是壓縮后非線性光譜展寬的增強。這項研究可能為進一步提高激光器的峰值功率提供了一種可行性方案，甚至可以達到千兆兆瓦級。”作者最后談到。

延伸閱讀

2018年10月，瑞典皇家科學院揭曉了當年的諾貝爾物理學獎。獲獎的三位科學家在激光物理領域取得了開創性發明。獎金的一半授予美國貝爾實驗室的ArthurAshkin，表彰他所發明的光鑷技術，并將此技術應用于生物體系。另一半獎金則被法國籍科學家GérardMourou（法國巴黎綜合理工學院教授、美國密歇根大學名譽教授）和他的學生DonnaStrickland（加拿大滑鐵盧大學副教授）所分享。他們提出的啁啾脈沖放大（CPA）技術是未來超強超短脈沖激光器的主要發展方向。

在CPA技術之前，直接放大激光脈沖的能量，進一步提高峰值功率遇到了難以逾越的瓶頸。在直接放大過程中，激光脈沖的超高峰值功率密度（功率密度=功率/聚焦光斑的面積）極易損壞放大器中增益介質和其他透射式光學元器件（其效果類似于用放大鏡把太陽光聚焦到報紙上的一個小點，很容易將其點燃燒毀）。其次，直接放大的激光脈沖時間尺度太短，不利于高效吸收放大增益介質中的全部能量。

隨著CPA技術的出現，激光聚焦功率密度實現了飛躍式提升。CPA系統大致可分為振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器。關鍵是在直接輸入放大器之前，先利用展寬器對振蕩器輸出的超短飛秒（皮秒）脈沖引入一定的色散，將脈沖寬度在時域上展寬約百萬倍，至百皮秒甚至納秒量級；這樣不僅極大降低了峰值功率，而且保證了單位面積上的能量密度；然后在放大器中進行放大，這樣既降低了相關元件損傷的風險，又避免了增益飽和等許多不利的非線性效應，有利于高效吸收增益介質儲存能量；等獲得較高的能量以后，再通過壓縮器補償色散，將脈沖寬度壓縮回飛秒（皮秒）量級。

自CPA技術之后近30多年里，不僅激光的峰值功率及強度提高了近10個量級，而且激光裝置的體積及成本也大大降低。