摘要：在脉冲激光的发展道路上，追求更快（更短的脉冲宽度），更高（更高的平均功率），更强（更强的峰值功率密度）一直是研究者们永恒的主题，而发展超快激光脉冲放大技术就是得到更强峰值功率激光脉冲的有效手段之一。

CPA (Chirped Pulse Amplification):

在追求激光更强峰值功率密度的道路上，起初大家就是把当时能得到的最短激光脉冲直接通过增益介质不断放大，怼来怼去，一路驰骋。激光脉冲可达到的极限峰值功率密度迅速上升，但是很快遇到了瓶颈，原因在于，增益介质或者其他光学元件在过高的功率密度下会受到损伤。各位做过激光放大的同志应该没少经历过晶体镜片打坏打穿的情况吧。

图1：破碎的钛宝石

而正是CPA技术的出现[1]打破了这个瓶颈，这无疑是激光技术发展的一个重要的里程碑。这里放一张不知道被引用了多少次的图，横轴是时间，而纵轴是激光的峰值功率密度。

图2：激光的峰值功率密度随时间的发展[2]。作者是CPA的发明人Mourou。

遇到了峰值功率密度过大的问题，那么很自然的想法就是不要让峰值功率密度过大。其实是暂时不要让峰值功率密度过大，通过这样来保护光学元件。我们来看一个公式：

图3：脉冲激光峰值功率密度的计算

维持脉冲能量不变的情况下，暂时把脉冲的时间宽度展宽，面积增大，这样峰值功率密度不就降下来了吗，自然也就避免了光学元件的损坏。只要最后还能把脉冲的时间宽度压窄，面积聚小，峰值功率不就又上来了吗！大道至简，天才的想法总是看起来很简单。这让我想起小时候，每次吃肯德基，我都很喜欢里面的番茄酱，总是想要更多，吃不了还要兜着走，带回家蘸别的东西吃。但是一个人去柜台，小姐姐只会给你一两包。那个时候我就有个想法，如果我叫全班同学60人来，每个人去要2包，最后大家再都给我，这样我一下子不就有120包了吗！即使中间可能有的同学吃掉几包，损耗个20包，也没关系。峰值番茄酱密度直接从2到了100（虽然平均到每个人上的平均番茄酱密度没怎么变）！

图4：童年的梦想

那么关键就在于，激光脉冲的时间宽度可以被展宽吗？展宽放大之后还能再压缩回展宽前的脉冲宽度吗？事实上是可以的，因为飞秒激光脉冲通常会有很宽的光谱范围，通过一些手段可以让不同的光谱成分走过不同的距离，再把它们整合在一起。就像国庆阅兵队伍中的一排，侧面看去只有一个人，但其实一排有很多人，如果让每个人前后错开一点，那么侧面看上去会是很长的一列。

图5：整齐划一，令人赞叹的阅兵队伍

通常这种不同光谱成分位于脉冲的不同时间部位的情况，叫做啁啾（chirp），这里是借鉴了通信领域中的概念。而啁啾的本意，是形容鸟的叫声婉转，不同频率的声音在时间上先后分开。这里就是不同频率的光在时间上先后分开。

这种技术叫做chirped pulse amplification，啁啾脉冲放大，简称CPA。通过前面的介绍，CPA系统通常由三部分组成，展宽器，放大器，压缩器。顾名思义，展宽器就是把飞秒激光脉冲的时间宽度展宽，通常展宽到数百皮秒乃至纳秒量级。常用的方式有利用光栅的马丁内兹型和奥弗纳型展宽器，光纤激光器中常用啁啾光纤布拉格光栅（CFBG），对展宽量要求不高的情况下也有利用块材料的色散来展宽或者用啁啾镜展宽。放大器因增益介质和重复频率的不同，结构种类繁多，但作用都是将被展宽的脉冲进行能量提升，我们将在今后的文章里详细讨论，这里不赘述了。

压缩器的作用是把展宽并放大了的脉冲的脉宽压缩回去，最常使用的就是光栅对压缩器，可以使用透射光栅或反射光栅的搭建，展宽量不大的情况下也可以用棱镜对或啁啾镜来进行压缩。在CPA技术出现之后，激光放大由于峰值功率密度的瓶颈被突破，又得到了迅猛发展。我国在超快激光放大领域的研究中也一直处于国际前列，在2011年中科院物理所L07组率先实现了当时国际最高的1.16PW（1.16x10¹⁵W）峰值功率，而目前上海光学精密机械研究所也实现了目前国际最高的10PW峰值功率，并朝着100PW的目标迈进。

OPA (Optical Parametric Amplification):

一般激光放大过程的原理可以简单总结为：当一束激光经过处于粒子数反转状态的增益介质时，在受激辐射的作用下，原有的光束得到放大。这里的能量是先从泵浦源传递到增益介质，使增益介质产生粒子数反转，然后再从增益介质传递到被放大的激光。显然，在传递过程中会产生不少的能量浪费。

然而，在非线性光学中，还存在着这样一种能量传递方式。激光由于较高的功率密度在介质中会产生非线性效应，这种效应可以产生新频率的激光或者使不同频率的激光直接发生能量交换。只要通过匹配合适的条件，就可以把泵浦激光的能量通过非线性介质直接耦合到被放大激光中。这里非线性介质只提供一个合适的非线性效应，能量直接从泵浦激光转移到被放大激光中，没有中间商赚取差价，效率自然高了很多。这种介质不参与能量转换的过程叫做参量过程，而利用这种参量过程来放大激光，就叫做光参量放大，optical parametric amplification，简称OPA。我们一般称呼泵浦激光为泵浦光（pump），被放大激光叫做信号光（signal），在参量转换过程中一般还会产生其他频率的光，叫做闲频光（idler）。

图6：OPA示意图。其中绿色为泵浦光，黄色为信号光，红色为闲频光。可以看到黄色光由暗淡变亮，得到了放大

从原理上来讲，OPA有着很多优势，效率高、时间对比度高、支持宽光谱放大，可以同时支持较高的单脉冲能量和高平均功率。但是OPA对于泵浦光要求比较高，因为没有中间层，泵浦光各项参数的好坏会严重影响信号光的放大，而且需要精细的角度和距离控制。除此之外，非线性晶体目前很难生长出大尺寸的产品，这样也限制了光束口径的大小。相对的，普通的非参量放大的要求就没那么高，常用的说法就是把泵光和激光怼在晶体上就可以了。而且有不少激光晶体可以生长出很大尺寸的产品，这样更进一步支持了大能量激光的放大。因为这些原因，目前在放大超大能量的飞秒激光脉冲的时候，还是使用普通的非参量放大作为最后几级的主放大。

OPCPA (Optical Parametric Chirped Pulse Amplification)：

前面介绍了OPA和CPA两种激光放大技术，实际上两者并非毫无交集。如果在OPA即光参量放大前也进行脉冲展宽，在放大后再进行脉冲压缩，那么就可以兼顾两种放大技术的优势。这种放大技术叫做光参量啁啾脉冲放大，optical parametric chirped pulse amplification，简称OPCPA[3]。

由OPCPA放大的激光脉冲一般具有很高的时间对比度（基于参量放大过程的机理，大家可思考一下原因），常用作高对比度超强激光系统的前级。同时由于OPA过程具有很宽的光谱，某些情况下还自带CEP锁定的效果，可以实现平均功率数十瓦的千赫兹数太瓦输出，也逐渐成为了目前阿秒科学研究中的利器。

参考文献：

[1] Strickland, D., and G. Mourou."COMPRESSION OF AMPLIFIED CHIRPED OPTICAL PULSES." OpticsCommunications 55.3 (1985): 219-221.

[2] Mourou, G., et al."Exawatt-Zettawatt pulse generation and applications." OpticsCommunications 285.5 (2012): 720-724.

[3] Dubietis, A., G. Jonušauskas, and A.Piskarskas. "Powerful femtosecond pulse generation by chirped andstretched pulse parametric amplification in BBO crystal." OpticsCommunications 88.4-6 (1992): 437-440.

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