我們?nèi)绾尾拍芴岣?a href="http://m.maccms.com.cn/jiguangqi.html" class="tooltip-trigger tin" title="查看更多關(guān)于 激光器 的文章" target="_blank">激光器的輸出功率。首先想到的是提高激光器的泵浦功率（能量），就像武俠中內(nèi)力傳輸一樣，即使再笨（轉(zhuǎn)換效率低），只要有足夠高的輸入，輸出自然就高。顯然，這只是最低級(jí)的辦法，如何在資源一定的情況下，通過(guò)提高自身的修為（激光器）來(lái)提升輸出功率，才是我們想要的。

     講到這里，不明真相的看官可能懵了，我們追求的激光參數(shù)到底是哪個(gè)？功率，能量還是其他？好吧，我們?cè)賮?lái)捋一下思路。能量除以時(shí)間等于功率，所以正常情況下，功率相對(duì)于能量更合適我們，舉個(gè)栗子，在相同能量的激光，在1s時(shí)間和在1min時(shí)間打到你身上，效果哪個(gè)強(qiáng)？毫無(wú)疑問(wèn)，時(shí)間越短，功率越高，效果越厲害（差點(diǎn)說(shuō)個(gè)“好”字）。細(xì)心的小伙伴可能發(fā)現(xiàn)了另外一個(gè)點(diǎn)，激光打在你身上一個(gè)點(diǎn)和打在你整個(gè)人身上，效果能一樣嗎？不一樣。顯然，結(jié)果出來(lái)了，我們追求的是單位面積內(nèi)的激光功率（單位：W/m2），即激光能量密度或者叫激光功率密度。好的，那提高激光質(zhì)量的主要內(nèi)容（前面提到的轉(zhuǎn)換效率算一個(gè)，這個(gè)除外）就可以分為兩部分：第一部分，提高激光功率；第二部分：將激光聚焦到盡量小的面積上。那么今天，就先講講如何提高激光的功率吧。

調(diào)Q技術(shù)

首先，介紹下第一種技術(shù)：調(diào)Q技術(shù)。國(guó)際慣例，先介紹下什么是調(diào)Q。調(diào)Q技術(shù)是將激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中，從而使激光光源的峰值功率提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的一種技術(shù)（脈沖寬度指的就是時(shí)間，通常我們所說(shuō)的飛秒激光就是脈沖寬度為飛秒量級(jí)的激光）。

      好，那么問(wèn)題又來(lái)了，為什么要壓縮？怎么樣壓縮？

     在光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)大講堂第2期激光原理部分介紹過(guò)激光產(chǎn)生的條件：需要形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。那么當(dāng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)超過(guò)一定值后，就會(huì)形成振蕩，產(chǎn)生激光。當(dāng)激光發(fā)射以后，上能級(jí)粒子數(shù)就消耗掉了，所以振蕩就停止了，直到下一次粒子數(shù)累積后再反轉(zhuǎn)（專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)：弛豫振蕩）。這也就是為什么普通激光器峰值功率不能提高的原因（一般只有千瓦數(shù)量級(jí)）。這就像大壩攔截水庫(kù)里的水一樣，當(dāng)水上漲超過(guò)大壩上沿，就會(huì)溢出，那如果想要一下子得到大量的水怎么辦？提高大壩的高度，然后使水位上漲，每隔一定時(shí)間將大壩位置下降到原位，這樣就嘩啦一下能得到比原來(lái)高很多倍的水量。

     調(diào)Q利用的就是這個(gè)原理，大壩就是激光器固有的損耗值，通過(guò)改變損耗值就能控制粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的閾值。改變激光器損耗的方法很多，比如轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q、電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q、飽和吸收調(diào)Q等。再以電光調(diào)Q為例，在激光器里面新添加的器件是偏振片和電光晶體，然后通過(guò)周期控制電光晶體，使得其偏振方向與前面偏振片方向周期性轉(zhuǎn)變：平行或者垂直。偏振原理：當(dāng)偏振片平行時(shí)，光全部通過(guò)；偏振片正交（即垂直）時(shí)，光全部攔截。當(dāng)光全部攔截時(shí)就表示激光器的損耗非常非常大。調(diào)Q技術(shù)一般可以提高2個(gè)數(shù)量級(jí)的峰值功率，達(dá)到10^6W （MW）量級(jí)（^表示冪次方），脈寬為納秒量級(jí)左右。

鎖模技術(shù)

那如果還要再提高峰值功率，縮短脈寬，調(diào)Q技術(shù)就實(shí)現(xiàn)不了了。接下來(lái)鎖模技術(shù)出場(chǎng)了。鎖模，也叫鎖相，顧名思義，就是鎖定激光器的模式，或者鎖定激光的相位?；仡櫹赂缮娴脑恚寒?dāng)電磁波（光）滿(mǎn)足一定的條件：相位差（光程差）恒定，振動(dòng)方向一致，就會(huì)產(chǎn)生干涉。如圖2（b）所示，當(dāng)鎖定不同激光縱模（即頻率）之間的相位差后，就會(huì)將大部分能量集中到干涉增強(qiáng)處；圖2（b）為普通未鎖定相位的光強(qiáng)時(shí)域分布。通過(guò)這種方法，可以將脈沖寬度壓縮到皮秒量級(jí)，甚至到亞飛秒量級(jí)，功率達(dá)到10^9W（GW）量級(jí)。

調(diào)Q脈沖放大技術(shù)

然后在上面二種技術(shù)發(fā)明之后，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，峰值功率都不能提高，因?yàn)樵僦苯臃糯竽芰繒?huì)引起非線(xiàn)性效應(yīng)以及損傷光學(xué)元件，直到1985年啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)的發(fā)明。CPA技術(shù)不僅將峰值功率提升了近10個(gè)數(shù)量級(jí)，而且體積小、成本低，也避免了上述的問(wèn)題，甚至成為類(lèi)似于神光系列大裝置激光系統(tǒng)的基本手段。

CPA技術(shù)原理如圖3所示，結(jié)構(gòu)上分為四部分：振蕩器、展寬器、放大器、壓縮器。原理就是先展寬、然后放大、再壓縮成高功率短脈沖的激光。這個(gè)好處就在于，極大地避免了在帶有增益介質(zhì)的放大器中產(chǎn)生高峰值功率的激光，從而避免元件損傷等。

     當(dāng)然，脈沖激光的峰值功率提高到這個(gè)量級(jí)后，我們追求的已經(jīng)不單單是功率了，對(duì)比度也顯得非常重要（看到這里的朋友，我很欣賞你，說(shuō)明你是真的想了解這個(gè)技術(shù)，那我也就不怕對(duì)你講得更專(zhuān)業(yè)點(diǎn)了）。舉個(gè)栗子，當(dāng)超短超強(qiáng)的脈沖激光密度高于10^17 W/cm2，而一般對(duì)比度差不多為10^6，那么預(yù)脈沖（一般CPA采用多級(jí)放大）和放大自發(fā)輻射（ASE）的強(qiáng)度都會(huì)超過(guò)了10^11 W/cm2，這個(gè)強(qiáng)度等級(jí)已經(jīng)足以與物質(zhì)發(fā)生相互作用，從而改變主脈沖的初始狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生重大影響。

     好的，那有沒(méi)有解決辦法？有。

光學(xué)參量啁啾脈沖放大技術(shù)

前面提到了啁啾脈沖放大技術(shù)的一些缺點(diǎn)，為了克服這些缺點(diǎn)，1992年提出了另一種光學(xué)參量啁啾脈沖放大（OPCPA）技術(shù)的思路，其原理就是把基于增益介質(zhì)的放大器替換成基于非線(xiàn)性過(guò)程的參量放大器。接下來(lái)我再介紹下參量放大器的原理，自然就知道為什么它可以克服上面的缺點(diǎn)了。

     光學(xué)參量放大（OPA）是指一束高頻率的光（泵浦光）和一束低頻率的光（信號(hào)光）同時(shí)進(jìn)入非線(xiàn)性介質(zhì)中，輸出中的信號(hào)光由于差頻效應(yīng)而得到放大，當(dāng)然于此同時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩者光頻差的第三種相干光，我們稱(chēng)之為閑頻光（必須符合能量守恒定律）。

由于該技術(shù)采用非線(xiàn)性晶體（例如KDP、BBO等），而不是利用增益介質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，所以沒(méi)有熱效應(yīng)，沒(méi)有ASE效應(yīng)等，具有非常高的信噪比，我們的目的就達(dá)到了。細(xì)心的小伙伴會(huì)發(fā)現(xiàn)，參量放大會(huì)產(chǎn)生不同于信號(hào)光和泵浦光的第三種閑頻光，這不還可以用來(lái)拓寬激光光譜嗎？對(duì)的，Chinese Optics Letters 2016年第4期封面文章報(bào)道了南京大學(xué)祝世寧教授團(tuán)隊(duì)的研究成果，就是利用光參量放大過(guò)程獲得高效率的中紅外皮秒激光輸出，比如1064nm波長(zhǎng)的泵浦光，可以產(chǎn)生1466.5nm的信號(hào)光和3876nm的閑頻光（我們想要的），這是一般激光器不能夠產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)范圍。好了，本期就講到這里，由于這些里面涉及的技術(shù)太多，不能面面俱到，草草收尾，還望見(jiàn)諒！

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