啁啾脉冲放大

当时的困境

激光发明之后头几年，脉冲一路变短：调 Q 把它压到纳秒，锁模再压到皮秒，染料激光到 1980 年代已经做到一百飞秒。脉冲越短，同样的能量挤进越窄的时间，峰值功率就越高——想看原子在强光里怎样被撕开，要的正是这个。

可从 1970 年到 1985 年，这条曲线几乎是平的。诺贝尔奖委员会的科学背景材料写得很直白：锁模振荡器出来的纳焦脉冲能放大到毫焦，六个量级，再往上就放不动了。穆鲁后来给出的数字是：光束直径一厘米左右的「正常尺寸」系统，峰值功率卡在约 1 吉瓦，聚焦强度约 $10^{14}\ \text{W/cm}^2$。

卡住它的不是能量不够，而是放大器自己扛不住。玻璃的折射率会随光强变大，$n = n_0 + n_2 I$。光束中心比边缘亮，中心的光就走得慢一点，整束光像穿过一块凸透镜那样往里收；收得越细越亮，越亮收得越狠，最后塌成一根细丝，把介质打出伤痕。这叫自聚焦。激光工程师用一个数来记账，叫 B 积分——光在放大器里走过一段路，由非线性折射率累积下来的相位畸变：

$$B = \frac{2\pi}{\lambda}\int_0^L n_2\, I(z)\,dz$$

聚变装置到 B 约为 3 就得用空间滤波器把光束「洗」一遍；要做精细的强场实验，B 最好压在 0.3 以下。

于是就有了一个两难。要把放大介质里存的能量吃干净，进去的脉冲通量得接近介质的饱和通量——钕玻璃约 4 J/cm²。可哪怕只有 1 J/cm² 挤进一皮秒，强度也是 $10^{12}\ \text{W/cm}^2$ 的量级，B 约一千，是能容忍的一千倍。储能好的钕玻璃用不上；能用的染料和准分子储能又差。剩下唯一的路是把光束越做越粗、让单位面积的强度降下来。这样的装置又大又贵，只有国家级机构建得起，一天只能打几发，好让放大器冷却。罗切斯特大学激光能量学实验室（LLE）的 Omega 钕玻璃聚变激光就是一例：能出一千焦，但脉冲必须长于一纳秒，否则打坏棒子。

洞见时刻

唐娜·斯特里克兰 1980 年代初是 LLE 的研究生，导师是热拉尔·穆鲁。她的博士题目原本是用 1 微米的钕激光打出九次谐波——九阶的非线性过程，要的就是极高的强度。穆鲁组里有短脉冲，隔壁有大能量，缺的是把两样放在一起的办法。

办法其实别的行当早就有。雷达要发射又短又有劲的脉冲，电路却扛不住那么高的峰值功率。1960 年贝尔实验室的克劳德等人把答案写成了一篇长文：发射一个长脉冲，让它的频率在脉冲里从低到高扫过去，回波进接收机后，再用一段色散相反的延迟线把各个频率重新对齐，压成一个窄峰。贝尔实验室给这招起名 chirp——鸟叫的「啾」，音调在一声里滑上去。

斯特里克兰与穆鲁 1985 年那篇论文，开头第二句就是雷达：放大超短光脉冲的上限是自聚焦，「雷达里有类似的问题」，解决的办法是先让脉冲过一段正色散线拉长再放大，回波用负色散线压回原形。「我们在这里报告一个把雷达的技术搬到光频段的系统。」

光频段的「延迟线」，现成的有两段。一段是光纤：强脉冲在细芯里走，自相位调制给它长出新的频率，普通的色散又让红光跑在前、蓝光落在后，走得够长，频率就几乎线性地从红扫到蓝——一个啁啾脉冲。另一段是 1969 年特雷西算清楚的平行光栅对：红光在两块光栅之间绕的路比蓝光长，恰好把落后的蓝光等回来。斯特里克兰在诺贝尔演讲里说，本来也可以叫它「展宽脉冲放大」，只是「啁啾脉冲放大听着更好」。

实验是拼出来的。穆鲁组有一台锁模 Nd:YAG 激光器给染料激光当泵浦，倍频只用掉约一成，剩下九成红外光本来白白浪费，斯特里克兰就拿它当种子。康宁送来 2.5 千米单模光纤，她倒卷时弄断了，用长的那截——1.4 千米——从天花板一路拉到楼另一头有空位的实验室。

论文里的数字是这样的：150 皮秒的脉冲进光纤，出来拉成约 300 皮秒；进钕玻璃再生放大器来回约一百趟，能量到约 2 毫焦；再过一对每毫米 1700 线、相距 25 厘米的光栅，效率一半，出来是 2 皮秒、1 毫焦。2 皮秒还只是条纹相机的分辨极限——那台相机是同事威廉森某天夜里搬进实验室的。关键在于：放大前后压出来的脉宽一样，说明放大没有搅乱啁啾，光纤里拉长的脉冲确实能原样压回去。论文断言，这套办法原则上能做出一皮秒以内、焦耳量级的脉冲。它 1985 年 12 月 1 日登在《光学通讯》上，只有三页——也是斯特里克兰发表的第一篇论文。

涟漪效应

第一版并不完美。光纤的展宽和光栅的压缩只在最低阶上彼此抵消，高阶对不上，压出来的脉冲前后拖着小尾巴。穆鲁把「匹配的展宽器」叫作他们的圣杯。答案来自一篇讲光通信的论文：马丁内斯为 1.5 微米波段设计了一种带透镜望远镜的光栅压缩器，色散符号与特雷西的正好相反。据穆鲁自己回忆，他是在滑雪缆车上想通的——那恰好就是特雷西压缩器的镜像；他当天就回了实验室。1987 年学生佩索演示：80 飞秒的脉冲拉长一千倍，再原样压回 80 飞秒。

此后事情走得很快。梅纳、巴多与斯特里克兰把匹配展宽器装进一套只占一张光学平台的钕玻璃系统，做出 1 焦耳、1 皮秒——太瓦，从纳焦到焦耳放大了九个量级（1988 年正式发表）。人们给这类装置起了个外号 T³，「桌面太瓦」。组里去问所长太之后是什么词头，得到答案「拍」，于是有了一篇法文论文《通往拍瓦之路》。

真正让它普及的是另一种晶体。莫尔顿研究的掺钛蓝宝石增益带宽极宽、储能又好，正是 CPA 最想要的介质；1991 年西贝特组让它自锁模，直接出 60 飞秒。斯特里克兰回忆，论文发表后头几年引用并不多，直到钛宝石出来，小实验室也建得起 CPA，这个领域才真正起飞。1999 年利弗莫尔的佩里等报告了超过 1.5 拍瓦的峰值功率，660 焦耳压进约 440 飞秒。到 2015 年的一份综述，全世界在运行、在建或规划中的拍瓦级激光已有五十多台。

强度够了，别的门跟着开了。高次谐波 1987 年在萨克雷发现时用的还不是 CPA，但此后对强场原子物理的大规模研究——包括通向阿秒脉冲的那条路——靠的是 CPA 驱动的飞秒激光。拍瓦级激光打进等离子体，能在 9 厘米内把电子加速到 4.2 吉电子伏，梯度比射频加速器高两个量级。

反方向也走得通：不求最大，只求干净。飞秒脉冲在热量还来不及扩散之前就把材料剥掉，边缘几乎不留烧伤，于是能给血管支架打细长的小孔。穆鲁在密歇根的学生 Detao Du 等人测出，脉宽降到飞秒量级之后，击穿阈值变得更低、更确定；他们随后与眼科医生合作，在角膜里做切割。今天近视手术里的飞秒激光——切角膜瓣，或在角膜里雕出一片几毫米宽的透镜状组织再从小切口取出——用的是每个约一百纳焦、每秒十万发以上的 CPA 脉冲。穆鲁在诺贝尔演讲里说，每年有上百万名病人接受飞秒手术。

2018 年诺贝尔物理学奖一半给了光镊的阿什金，另一半由穆鲁与斯特里克兰共享，理由是「产生高强度超短光脉冲的方法」。斯特里克兰是物理学奖历史上第三位女性得主。

如果没有它

没有 CPA，峰值功率要往上走只剩一条路：把光束做粗、把装置做大。强场物理——光场强到能和原子核束缚电子的库仑场相比，电子被直接从原子里拽出去——仍会存在，但只存在于少数几台国家级聚变激光上，一天几发。

桌面太瓦改变的正是这一点：一台放得进大学实验室的系统，每秒十发，峰值功率与聚变大装置一天几发的相当。阈上电离与高次谐波都是在 CPA 之前的大激光上先看到的；但把它们一遍遍重复、一点点调细，调出三步模型、调出阿秒脉冲的，是这样的激光。强场物理的门槛，从「能不能申请到大装置的机时」降成了「能不能买得起一台钛宝石放大器」。

而那一招本身并不新：长脉冲先放大、再压成短脉冲，雷达工程师 1960 年就写进了教科书。难的是看出光学的困局与雷达是同一个问题——然后在光频段找到那两段彼此抵消的色散。