【前沿】一种先进的激光聚焦技术-飞行焦点技术
在近衍射极限系统中，焦点尺寸和焦点纵向作用范围（瑞利长度）一直是个矛盾体。你想要小的焦点尺寸就只能得到小的焦点纵向作用范围，你想要得到大的焦点作用范围就只能得到大的焦点尺寸。
然而很多时候，我们既想要得到小的焦点，同时还需要大的作用范围，尤其是在超快激光精密加工领域，这种需求用传统办法几乎是无解的。不过，来自美国罗切斯特大学的Dustin H. Froula等人完美地解决了这个问题，让我们瞧瞧他们的方案。
先来一张图，咦，不是光谱吗？有啥稀奇的？错，童鞋们，这个图反映的是时域，而不是频域，也就是说横坐标不是频率，是时间。
图1：啁啾激光与国庆大阅兵
也就是说，当这个脉冲经过一个点时，我们在这个点上观察这个脉冲，会发现脉冲的“颜色”会发生变化，从蓝色变成红色（实际上波长的变化率很小，这里的颜色仅指代频率）。
想象一下，国庆大阅兵时候，穿着不同颜色军装的人民解放军从天安门广场前威武走过，大家的步伐都一样，仅仅是经过时间有先后顺序，啁啾脉冲也是这样。
那这种啁啾激光脉冲实际上怎么产生的呢？要解释这个问题，我们需要了解超快激光第二重要的技术—啁啾脉冲放大技术。制约超快激光放大的最重要原因，就是激光的增益介质难以承受超高的峰值功率，为此CPA（chirped pulse amplification）应运而生。CPA分为三个过程：展宽、放大和压缩。
展宽系统一般利用色散元件，比如光栅或者棱镜将原本就有一定谱宽的飞秒脉冲各频率在空间上分开，再利用特定的光路控制不同频率成分的光程差，从而将各频率成分在时域上展开。
举个实际例子：在典型的拍瓦激光系统中，几十fs的Ti：Sapphire飞秒激光脉冲通过展宽可以变为脉宽几百ps的脉冲，脉宽展宽了10000倍之多，这样峰值功率也就降下来了。再经过增益介质放大到饱和功率、继而压缩回飞秒级别脉宽即可得到极大峰值功率的大能量飞秒放大脉冲。
这里，作者仅仅利用啁啾脉冲放大技术的前三分之一，即展宽技术。利用展宽器将飞秒脉冲的脉宽展宽到ps甚至ns级别，这样就形成了时域上各频率成分分离的情形。
图2：啁啾脉冲放大技术【2】
得到时域上分离的各频率成分后，Dustin H. Froula等人利用彩色聚焦技术实现了对各频率成分聚焦焦点的分离。那么啥是彩色聚焦技术？大家都清楚透镜聚焦会有色差的存在、不同频率的光会在透镜内部产生不同折射，从而导致焦点的偏移。人们总是想补偿这样的色差，所以设计了各种各样的色差补偿系统。
然而作者们却另辟蹊径，他们反过来思考，通过设计线宽随径向距离变化的衍射透镜，使得不同频率的光在空间上聚焦到不同的焦点上，再配合前面得到的啁啾脉冲，就可以实现飞秒激光焦点在空间上的可控移动。如果对啁啾飞秒脉冲适时控制的话，就可以控制焦点以任意速度在激光传播方向运动，文章提到甚至可以达到“超光速“”运动。
图3：彩色聚焦衍射透镜示意图【3】
图4：飞行焦点技术示意图【1】
得到这种飞行焦点后，有啥用处呢？作者们表示这项技术提供了一个新颖的方法来控制激光等离子体，不需要长焦距系统或者波导来维持长距离上的激光强度，并且使焦点运动速度与光的群速度相耦合。为了一些特别的应用，作者可以设计出非线性啁啾信号和彩色聚焦系统来控制激光焦点运动速度。例如，飞行焦点技术可以用于激光加速度器中从而产生极紫外光源。
另外，飞行焦点技术可以改变等离子体和非线性光学器件的优化方式，比如在非线性晶体中的太赫兹波产生、激光尾波场加速度器中都有重要的应用前景。此外，在负聚焦速度（negative focal velocity）条件下，每种频率成分在等离子体前方聚焦，这就从根本上避免了激光等离子体的相互作用，从而避免激光成丝和受激散射，这对建造一个高效率的激光等离子体放大器有重要的意义。
参考文献：
【1】Froula, Dustin H., et al. "Spatiotemporal control of laser intensity." Nature Photonics (2018): 1.
【2】Wikipedia contributors. "Chirped pulse amplification." Wikipedia, The Free Encyclopedia. Wikipedia, The Free Encyclopedia, 24 Apr. 2018. Web. 27 Apr. 2018.
【3】Wang, Peng, Nabil Mohammad, and Rajesh Menon. "Chromatic-aberration-corrected diffractive lenses for ultra-broadband focusing." Scientific reports 6 (2016): 21545.
