一、進(jìn)入*超短激光和強(qiáng)場(chǎng)激光物理

*超短激光(峰值功率＞1TW(1TW=1012W)，脈沖寬度＜100fs)的出現(xiàn)與迅猛發(fā)展，為人類提供了qian所未有的極嚴(yán)苛物理?xiàng)l件與全新實(shí)驗(yàn)手段。自然界中只有在恒星內(nèi)部或是黑洞邊緣才能找到的高能量密度，甚至超高能量密度的ji端條件已能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)創(chuàng)造。

目前實(shí)驗(yàn)室內(nèi)臺(tái)式激光系統(tǒng)已經(jīng)可產(chǎn)生高重復(fù)頻率的超短脈沖(從100fs到10fs級(jí))且超高功率(從100TW到1000TW級(jí))的激光輸出。目前，*超短激光經(jīng)聚焦的最高光強(qiáng)已達(dá)到1022～23W/cm2量級(jí)。這么高的光強(qiáng)到底是什么概念呢？

光強(qiáng)1021W/cm2約等于地球接收到的太陽(yáng)總輻射聚焦到頭發(fā)絲粗細(xì)的尺度。自然界中已知的最高光強(qiáng)是達(dá)到1020W/cm2量級(jí)的宇宙伽瑪射線暴的強(qiáng)度，所以*超短激光被認(rèn)為是已知的最亮光源之一。

強(qiáng)超短激光可以驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生超快高性能粒子束，為高能粒子加速器的發(fā)展帶來(lái)重要補(bǔ)充。與高能粒子加速器等相比，*超短激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的超快電子、質(zhì)子和重離子粒子束時(shí)間尺度短(可達(dá)到數(shù)飛秒)，峰值流強(qiáng)大，這是傳統(tǒng)加速器難以提供的，為高能粒子束的應(yīng)用提供了*優(yōu)勢(shì)，使超快瞬態(tài)檢測(cè)等成為可能。

與傳統(tǒng)的基于反應(yīng)堆的中子源相比，*超短激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的超快中子束，不僅具有脈沖寬度可以達(dá)到皮秒量級(jí)的優(yōu)點(diǎn)，而且具有安全可控等優(yōu)勢(shì)，為特殊材料的動(dòng)力學(xué)檢測(cè)提供了*的技術(shù)手段。

*超短激光裝置與現(xiàn)有的高能粒子加速器和反應(yīng)堆等大科學(xué)裝置產(chǎn)生的高流強(qiáng)粒子束互補(bǔ)，不僅可為用戶提供新的研究條件，也可催生出新研究方向與新用戶。

目前，*超短激光正處于取得重大科學(xué)技術(shù)突破和開拓重大應(yīng)用的關(guān)鍵階段，未來(lái)幾年激光的聚焦強(qiáng)度可能達(dá)到甚至突破1023W/cm2。此外，這種*光場(chǎng)在時(shí)間范疇又是極超快的。

*超短激光的中心波長(zhǎng)一般是在近紅外波段，其脈沖寬度已可壓縮至數(shù)飛秒，與激光場(chǎng)的振蕩周期(如中心波長(zhǎng)為800 nm的激光脈沖其光場(chǎng)振蕩周期為2.67 fs)可以比擬；而利用*超短激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的極紫外乃至X射線波段相干輻射，其脈沖寬度已經(jīng)突破飛秒量級(jí)進(jìn)入阿秒(as，1as=10-18s)量級(jí)的新范疇，未來(lái)有可能進(jìn)入到仄秒(zs，1zs =10-21s)量級(jí)。這種極超快時(shí)間尺度的強(qiáng)光場(chǎng)的產(chǎn)生和應(yīng)用，開拓與發(fā)展了阿秒科學(xué)全新領(lǐng)域(圖1)。

圖1 *超短激光的發(fā)展歷程與科學(xué)新領(lǐng)域的開拓

*超短激光的發(fā)展與應(yīng)用是激光科技的前沿與競(jìng)爭(zhēng)重點(diǎn)領(lǐng)域，正如《Science》雜志專欄文章指出“這項(xiàng)工作將影響從聚變到天體物理的每一項(xiàng)研究”。

光強(qiáng)1021W/cm2能夠產(chǎn)生的極條件主要包括：

(1)*電場(chǎng)：~1012V/cm，氫原子庫(kù)侖場(chǎng)強(qiáng)的170倍；

(2)超高磁場(chǎng)：~105T的*范圍；

(3)超高能量密度：達(dá)到3×1010J/cm3(相當(dāng)于20t/m3 爆炸釋放的能量)；

(4)巨大光壓：接近1017Pa量級(jí)；

(5)相對(duì)論效應(yīng)主導(dǎo)：電子動(dòng)能10MeV，超過(guò)電子靜能(0.5MeV)。

此外，*超短激光可以驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生超快、多光譜、高亮度光源(圖2)，波長(zhǎng)覆蓋從THz、紅外、紫外、X射線到γ射線波段，具有極超快的脈沖寬度。盡管光子平均通量低，但峰值亮度在某些波段上超過(guò)過(guò)其他大型光源，而在某些波段又是相干的，與同步輻射光源等可以提供的高通量光子束線等相比，各自既有不可替代性，又優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

在工業(yè)加工領(lǐng)域，皮秒或飛秒短脈沖激光由于具有*的峰值功率，可瞬間氣化或熔化材料，達(dá)到傳統(tǒng)加工方式無(wú)法達(dá)到的精密度和質(zhì)量，已成為當(dāng)前激光加工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于微電子、半導(dǎo)體制造、顯示、消費(fèi)類電子、醫(yī)療精密設(shè)備、太陽(yáng)能制造等行業(yè)，并將開辟精細(xì)加工的新市場(chǎng)。

圖2 *超短激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生超快、多光譜、高亮度光源

二、*激光實(shí)現(xiàn)的重要手段-啁啾脈沖放大技術(shù)(CPA)

1960年，美國(guó)休斯飛機(jī)公司的科學(xué)家梅曼(T.Maiman)博士研制出臺(tái)紅寶石激光器。1962年，調(diào)Q激光技術(shù)誕生，它的發(fā)明使得激光脈沖進(jìn)入納秒(ns，1ns=10-9s)量級(jí)。1964年，鎖模激光技術(shù)被發(fā)明。鎖模激光技術(shù)的提出和發(fā)展使得脈沖寬度進(jìn)一步壓縮至皮秒(ps，1ps=10-12s)甚至飛秒(fs，1fs=10-15s)量級(jí)。長(zhǎng)期以來(lái)由于沒(méi)有新技術(shù)的出現(xiàn)，導(dǎo)致激光能量增長(zhǎng)停滯不前，直接限制了激光峰值功率乃至聚焦強(qiáng)度的提升。

1985年，美國(guó)的科學(xué)家D. Strickland和G.Mourou在《Optics Communications》雜志上，發(fā)表了提出啁啾脈沖放大(chirped pulse amplification,CPA)技術(shù)概念的文章。這是高峰值功率脈沖激光技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑，開辟了*超短激光和強(qiáng)場(chǎng)激光物理的新研究方向。

該技術(shù)的基本原理是：首先利用色散將飛秒激光脈沖通過(guò)展寬器在時(shí)間上進(jìn)行展寬，使脈沖寬度達(dá)到幾百皮秒甚至納秒量級(jí)；展寬后的脈沖在經(jīng)過(guò)激光增益介質(zhì)放大后，充分提取了激光介質(zhì)的儲(chǔ)能；最后經(jīng)過(guò)與展寬器具有相反色散的壓縮器將脈沖寬度壓縮至接近最初的脈寬值(圖1)。

啁啾脈沖放大技術(shù)可以保證放大前后脈沖的寬度基本一致，而脈沖的能量卻可以提高若干數(shù)量級(jí)，從而大幅度地提升了激光脈沖的峰值功率。它解決了高峰值功率條件下，由于介質(zhì)的非線性效應(yīng)造成的光學(xué)元件損傷、脈沖光斑質(zhì)量下降等問(wèn)題，使超短激光脈沖獲得了較為理想的放大效果。

利用CPA技術(shù)已經(jīng)可以獲得峰值功率達(dá)到拍瓦乃至10拍瓦量級(jí)的激光脈沖放大輸出。目前，的*超短激光系統(tǒng)都是基于CPA技術(shù)而建立的。

發(fā)明啁啾脈沖放大技術(shù)使法國(guó)科學(xué)家Gérard Mourou和加拿大科學(xué)家Donna Strickland 獲得了2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，獲獎(jiǎng)原因正是他們發(fā)明了產(chǎn)生*超短光學(xué)脈沖的方法，且他們的發(fā)明革命性地改變了激光物理，特別是促進(jìn)了該技術(shù)在更多新研究領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖3 *超短激光：啁啾脈沖放大

三、啁啾脈沖放大技術(shù)(CPA)的核心部件——脈沖壓縮光柵

脈沖壓縮光柵是啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA）的核心部件，處于強(qiáng)激光系統(tǒng)能量放大的最末端，脈沖壓縮光柵的通光效率和損傷閾值的提高都對(duì)強(qiáng)激光束的能量、峰值功率的提升起到極為關(guān)鍵的作用。

脈沖壓縮器的結(jié)構(gòu)由兩個(gè)平行放置的光柵及一個(gè)反射鏡構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖3淺紅色橢圓所示。反射式脈沖壓縮器的原理為：長(zhǎng)波部分因?yàn)榇笱苌浣?，在壓縮器中所走的光程大于短波部分，這樣脈沖的藍(lán)光區(qū)便跑到紅光區(qū)前面，脈沖的前后沿自然會(huì)被拉伸開來(lái)。

四、筱曉光子提供的脈沖壓縮光柵產(chǎn)品資料

公司提供的脈沖壓縮光柵涵蓋700-3000nm的光譜范圍，產(chǎn)品具有高衍射效率（90%以上）、高損傷閾值、寬的光譜帶寬、低衍射波像差、大尺寸的特點(diǎn)，產(chǎn)品見(jiàn)圖4。

圖4 脈沖壓縮光柵

圖5列舉了三種不同溝槽密度的脈沖壓縮光柵的光譜帶寬。

圖5 三種不同溝槽密度的脈沖壓縮光柵的光譜帶寬(覆蓋700-3000nm)

標(biāo)準(zhǔn)尺寸：

25×25×6mm,30×30×6mm,30×64×10mm,30×110×16mm,50×50×10mm，50×110×16mm,58×58×10mm,64×64×10mm,90×90×16mm,110×110×16mm,100×140×20mm,120×140×20mm。

材料：λ>750nm的標(biāo)準(zhǔn)金涂層(Au)。

標(biāo)準(zhǔn)基材：光學(xué)冕玻璃K4A或N-ZK7。

可選基材：零熱膨脹玻璃陶瓷，表中標(biāo)注(Z)，(Lw1，Zerodur或同等材料)。

公司提供的脈沖壓縮光柵有近300個(gè)規(guī)格，詳情通過(guò)下方進(jìn)行查看。http://www.microphotons。。ｃｎ/?a=cp3&id=365