我們如何才能提高激光器的輸出功率。首先想到的是提高激光器的泵浦功率（能量），就像武俠中內力傳輸一樣，即使再笨（轉換效率低），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，結果出來了，我們追求的是單位面積內的激光功率（單位：W/m2），即激光能量密度或者叫激光功率密度。好的，那提高激光質量的主要內容（前面提到的轉換效率算一個，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Q技術

首先，介紹下第一種技術：調Q技術。國際慣例，先介紹下什么是調Q。調Q技術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量級的一種技術（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？

     在光學基礎知識大講堂第2期激光原理部分介紹過激光產生的條件：需要形成粒子數反轉。那么當粒子數反轉超過一定值后，就會形成振蕩，產生激光。當激光發(fā)射以后，上能級粒子數就消耗掉了，所以振蕩就停止了，直到下一次粒子數累積后再反轉（專業(yè)術語：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反轉的閾值。改變激光器損耗的方法很多，比如轉鏡調Q、電光調Q、聲光調Q、飽和吸收調Q等。再以電光調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Q技術一般可以提高2個數量級的峰值功率，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

那如果還要再提高峰值功率，縮短脈寬，調Q技術就實現不了了。接下來鎖模技術出場了。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Q脈沖放大技術

然后在上面二種技術發(fā)明之后，在很長一段時間內，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以及損傷光學元件，直到1985年啁啾脈沖放大（CPA）技術的發(fā)明。CPA技術不僅將峰值功率提升了近10個數量級，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技術原理如圖3所示，結構上分為四部分：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的放大器中產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，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，這個強度等級已經足以與物質發(fā)生相互作用，從而改變主脈沖的初始狀態(tài)，進而對實驗結果產生重大影響。

     好的，那有沒有解決辦法？有。

光學參量啁啾脈沖放大技術

前面提到了啁啾脈沖放大技術的一些缺點，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）技術的思路，其原理就是把基于增益介質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中，輸出中的信號光由于差頻效應而得到放大，當然于此同時會產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）。

由于該技術采用非線性晶體（例如KDP、BBO等），而不是利用增益介質的粒子數反轉，所以沒有熱效應，沒有ASE效應等，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，參量放大會產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太多，不能面面俱到，草草收尾，還望見諒！

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