【诺奖深度解读】获得物理学奖的CPA 原来是激光放大器啊
2018/10/3 10:45:03 科学大院

    

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     10月2日，2018年的诺贝尔物理学奖授予了Arthur Ashkin 、Gérard Mourou和Donna Strickland，以表彰他们在激光物理领域的突破性发明。其中，Arthur Ashkin的卓越贡献是发明了光镊并把它应用在生物系统中，Gérard Mourou和Donna Strickland因发明产生超短超强激光脉冲的啁啾脉冲放大技术而获奖。

    

     那么，什么是啁啾脉冲放大技术？它的发明对激光物理有怎样的意义？大院er邀请了中国科学院物理研究所从事超短超强激光研究的魏志义研究员，为大家带来深度解读。

     革命性地推动了激光强度的进展

     啁啾脉冲放大，即CPA技术，可以说它的发明革命性地推动了激光强度的进展，使人们所能得到的激光强度在不到10年的时间里，提高了6-7个数量级，并由此带来了许多应用学科的发展及出现，如化学、生物学、物理学等学科中的超快动力学研究、特殊材料的精密加工、超快电子衍射等。可以说从CPA发明以来，就成为了最具有学科创新能力的手段之一。

     随着激光强度的不断超快提高，科学家们利用CPA技术，能够在实验室实现瞬态的超强电场、超强磁场、超高加速梯度、超高等离子体密度、超高压强等一系列极端物理现象，开创并促进了强场物理、原子分子物理、加速器物理、核物理、天体物理、粒子物理等学科与激光的交叉和发展。

     CPA是如何将激光放大的？

     CPA的基本原理是：采用持续时间仅为皮秒(万亿分之一秒)或飞秒(千分之一飞秒，也就是千万亿分之一秒)量级的脉冲激光做种子的激光放大技术，这种种子脉冲也称之为超短或超快激光。

     如果将激光直接放大，由于激光介质的饱和效应及高强度引起的元器件损坏，将会遭遇不可逾越的瓶颈问题。CPA技术巧妙地先将利用展宽器将种子脉冲展宽数千甚至数万倍，从而大大降低了激光峰值功率，这样在随后的放大中，激光能量能够安全地得到放大提高。最后当激光能量放大到一定的结果后，采用与展宽器色散相反的压缩器，放大激光的脉冲被压缩回与种子脉冲接近的持续时间。我们知道激光的峰值功率是能量与持续时间的比值，这样由于放大能量及压缩脉宽的双重作用，激光的峰值功率就得到大大提高了。

    

     CPA技术的原理示意图

     CPA技术的发明，突破了提高激光强度的瓶颈，自此全世界许多实验室开展起了基于该技术的超快超强激光研究，新的进展及突破层出不穷，并也开发出相应的激光新产品，促成了一些专业公司的创立，为许多应用研究提供了重要的手段。

     我国在激光物理学领域的研究现状

     国内在超快激光技术领域具有较强的基础，CPA发明后仅仅几年时间，中科院西安光机所、天津大学等单位在侯洵院士领衔的“攀登计划”支持下，就开展了该技术的实验研究。

     近年来，中科院物理研究所、上海光机所及中国工程物理研究院等单位在科技部、863及基金委等部门的支持下，经过多年系统深入的研究，相继取得了突破世界纪录的结果。如上海光机所去年取得的10PW的峰值功率，是目前基于CPA技术所见报导的最高峰值功率，我国科学家取得的相关成果，已在国际上形成重要影响，也极大地提高了我国在该领域的国际地位。

    

     上海超强超短激光实验装置大厅

     本次诺奖的获得者Gérard Mourou教授也曾先后多次访问中科院西安光机所、物理研究所、上海光机所、上海交通大学等单位并做学术报告。

     超强超短激光研究未来展望如何？

     30多年来，CPA技术引发的超短超强激光研究正在蓬勃发展，目前国际上不仅有多台正在建设中的10PW级超短超强激光装置，而且欧盟及俄罗斯还在规划200PW装置的建设。这些装置建成后，可望得到近10^24-25W/cm²的超高强度，开展更加激动人心的物理研究工作：如许多相对论下的物理问题及核爆及恒星中心才有的物理现象。

     实际上，1999年诺贝尔化学奖、2005年诺贝尔物理学奖也是与这一领域相关的成果，人们预测未来在超快超强激光领域，还会产生新的诺贝尔奖。

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     作者单位：中国科学院物理研究所

     (文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn)

    

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