啁啾脈衝放大

啁啾脈衝放大（英語：Chirped pulse amplification, 縮寫: CPA）是一種用於放大雷射超短脈衝（英語：Ultrashort pulse）直到達到拍瓦（petawatt）水平的技術，其中雷射脈衝在放大之前在時間上和光譜上被拉伸^[1]。

啁啾脈衝放大技術是目前世界上除了功率約為500 TW的國家點火裝置之外的所有最高功率雷射器（大於約100 TW）使用的最先進技術。這些雷射器的一些例子是拉塞福－阿普頓實驗室的中央雷射設施（英語：Central Laser Facility）的Vulcan拍瓦升級，內布拉斯加大學林肯分校的Diocles雷射器，大阪大學雷射工程研究所GEKKO XII設施的Gekko拍瓦雷射器，羅切斯特大學雷射能量學實驗室的OMEGA EP雷射器，和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室前Nova雷射（英語：Nova (laser)）現已拆除的拍瓦系列。除了這些最先進的研究系統之外，許多商業製造商還銷售鈦-藍寶石型（英語：Ti-sapphire laser）啁啾脈衝放大，峰值功率為10到100 GW。

使用啁啾脈衝放大技術，設置強度高達10²² W /cm²的雷射器，脈衝長度為幾個飛秒（10^-15秒）。

背景

圖1. 具有負色散的基於光柵的壓縮器的示意圖布局，即短波長（藍色）首先出現。

啁啾脈衝放大技術是最初被發明於1960年用來增加雷達可用功率的技術^[2]。用於雷射的啁啾脈衝放大技術於1985年由當時在羅徹斯特大學的熱拉爾·穆魯和唐娜·斯特里克蘭引入^[3]，他們於2018年獲得諾貝爾物理學獎^[4]。

光脈衝越短，所包含頻率的頻譜越寬。這是由於光脈衝描述為波包（參見同一篇文章）。對於高斯波包，在時間長度Δt和譜寬Δω之間應用以下關係：

\Delta t\propto {\frac {1}{\Delta \omega }}.

光學元件可以不同地折射或延遲不同頻率的光。通過布置光學元件，主要使用柵格和稜鏡，可以不同地延遲（短）雷射脈衝的不同頻率分量，並且可以在空間上分離和再次壓縮脈衝。

^ Paschotta, Rüdiger. Chirped-pulse Amplification. RP Photonics Encyclopedia. July 1, 2017 [October 2, 2018]. （原始內容存檔於2020-11-02）.
^ Cook, Charles. Pulse Compression-Key to More Efficient Radar Transmission. Proceedings of the IRE (Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)). 1960, 48 (3): 310–316. ISSN 0096-8390. doi:10.1109/jrproc.1960.287599.
^ Strickland, Donna; Mourou, Gerard. Compression of amplified chirped optical pulses (PDF). Optics Communications (Elsevier BV). 1985, 56 (3): 219–221 [2018-10-06]. ISSN 0030-4018. doi:10.1016/0030-4018(85)90120-8. （原始內容 (PDF)存檔於2018-12-23）.
^ The Nobel Prize in Physics 2018. Nobel Foundation. [2 October 2018]. （原始內容存檔於2018-10-02）.