我們?nèi)绾尾拍芴岣?a href="http://m.91840.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，這只是最低級的辦法，如何在資源一定的情況下，通過提高自身的修為（激光器）來提升輸出功率，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？功率，能量還是其他？好吧，我們再來捋一下思路。能量除以時間等于功率，所以正常情況下，功率相對于能量更合適我們，舉個栗子，在相同能量的激光，在1s時間和在1min時間打到你身上，效果哪個強？毫無疑問，時間越短，功率越高，效果越厲害（差點說個“好”字）。細心的小伙伴可能發(fā)現(xiàn)了另外一個點，激光打在你身上一個點和打在你整個人身上，效果能一樣嗎？不一樣。顯然，結(jié)果出來了，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，這個除外）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數(shù)量級的一種技術(shù)（脈沖寬度指的就是時間，通常我們所說的飛秒激光就是脈沖寬度為飛秒量級的激光）。

      好，那么問題又來了，為什么要壓縮？怎么樣壓縮？

     在光學基礎(chǔ)知識大講堂第2期激光原理部分介紹過激光產(chǎn)生的條件：需要形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。那么當粒子數(shù)反轉(zhuǎn)超過一定值后，就會形成振蕩，產(chǎn)生激光。當激光發(fā)射以后，上能級粒子數(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)（專業(yè)術(shù)語：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）。這就像大壩攔截水庫里的水一樣，當水上漲超過大壩上沿，就會溢出，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，每隔一定時間將大壩位置下降到原位，這樣就嘩啦一下能得到比原來高很多倍的水量。

     調(diào)Q利用的就是這個原理，大壩就是激光器固有的損耗值，通過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：當偏振片平行時，光全部通過；偏振片正交（即垂直）時，光全部攔截。當光全部攔截時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個數(shù)量級的峰值功率，達到10^6W （MW）量級（^表示冪次方），脈寬為納秒量級左右。

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)就實現(xiàn)不了了。接下來鎖模技術(shù)出場了。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恚寒旊姶挪ǎü猓M足一定的條件：相位差（光程差）恒定，振動方向一致，就會產(chǎn)生干涉。如圖2（b）所示，當鎖定不同激光縱模（即頻率）之間的相位差后，就會將大部分能量集中到干涉增強處；圖2（b）為普通未鎖定相位的光強時域分布。通過這種方法，可以將脈沖寬度壓縮到皮秒量級，甚至到亞飛秒量級，功率達到10^9W（GW）量級。

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，在很長一段時間內(nèi)，峰值功率都不能提高，因為再直接放大能量會引起非線性效應(yīng)以及損傷光學元件，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個數(shù)量級，而且體積小、成本低，也避免了上述的問題，甚至成為類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。

     當然，脈沖激光的峰值功率提高到這個量級后，我們追求的已經(jīng)不單單是功率了，對比度也顯得非常重要（看到這里的朋友，我很欣賞你，說明你是真的想了解這個技術(shù)，那我也就不怕對你講得更專業(yè)點了）。舉個栗子，當超短超強的脈沖激光密度高于10^17 W/cm2，而一般對比度差不多為10^6，那么預(yù)脈沖（一般CPA采用多級放大）和放大自發(fā)輻射（ASE）的強度都會超過了10^11 W/cm2，這個強度等級已經(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)，進而對實驗結(jié)果產(chǎn)生重大影響。

     好的，那有沒有解決辦法？有。

光學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，為了克服這些缺點，1992年提出了另一種光學參量啁啾脈沖放大（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性過程的參量放大器。接下來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了。

     光學參量放大（OPA）是指一束高頻率的光（泵浦光）和一束低頻率的光（信號光）同時進入非線性介質(zhì)中，輸出中的信號光由于差頻效應(yīng)而得到放大，當然于此同時會產(chǎn)生兩者光頻差的第三種相干光，我們稱之為閑頻光（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)，所以沒有熱效應(yīng)，沒有ASE效應(yīng)等，具有非常高的信噪比，我們的目的就達到了。細心的小伙伴會發(fā)現(xiàn)，參量放大會產(chǎn)生不同于信號光和泵浦光的第三種閑頻光，這不還可以用來拓寬激光光譜嗎？對的，Chinese Optics Letters 2016年第4期封面文章報道了南京大學祝世寧教授團隊的研究成果，就是利用光參量放大過程獲得高效率的中紅外皮秒激光輸出，比如1064nm波長的泵浦光，可以產(chǎn)生1466.5nm的信號光和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，還望見諒！

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