CPA技術一一飛秒鐳射新時代（字數統計：1895） 致遠學院物理班湯清楠 自古以來，智慧的人類不斷嘗試著將光線彙聚來得到能量。在西方，西元前200多年，阿基米德 用凹面鏡將太陽光彙聚，燒毁了敵國的戰船；在中國，古時便有陽隧取火之法：《本草網目》卷主：“陽 隧，火鏡也。以銅鑄成，其面凹，摩熟向日，以艾承之，則得火。”陽隧，即為照日取火的銅鏡。 而現在'人們依然利用各種鏡子，以及量子力學這個新武器來製造超強鐳射·什麼是“超強鐳射”？ 其實這裡“強”指的是鐳射的“單位面積功率”，常用單位是Wcm2。要提高鐳射的功率，要麼加大 能量，要麼缩短發射時間，前者往往耗資巨大，如Nov装置，而後者，即“飛秒鐳射”·憑藉其相對 較低的成本，已經可以把Nov一樣功率的镭射發射器搬上桌面。近幾十年間，這一技術已經為核子物 理·天體物理·高能粒子物理與廣義相對論領域的研究帶带來了福音，也造出了大學實驗室就能夠負擔得 起得超高功率鐳射装置。 聚秒鑼射概述 為什麼叫“飛秒鐳射”？因為這種雷射脈衝的持續時間是飛秒(1015秒)量级的，相比于傅統的 纳秒(109秒)雷射脈衝，缩短了10倍！如果把僅僅1焦耳的能量在100飛秒内發射出去，功率將高 谨100兆瓦，這超過了世界上所有發電站功率的總和！也許讀者要問了，要這麼強的鐳射做什麼用呢？ 下面我們舉個例子：當這樣高功率的鐳射射出，將伴隨著世界上最強的電磁場，可以複製出宇宙中的極 端環境：最高絕對溫度101K、粒子最大加速度105倍重力加速度等等，這些都是在黑洞或星球內核附 近才存在的條件·製造這樣的環境對於天體物 理的研究有重要意義。 CPA技衔髓生 Noalinear QED 飛秒鐳射的技術雖然充滿了生命力，但其 10 發展並非一帆風順·自1960年雷射技術問世， 其後的5年間，鐳射強度確實在被不斷增強， 達到了101Wcm2(右圖)然而後面的20年， 10 這一技術的發展卻偃旗息鼓了，鐳射強度再也 Laser intensity limit 無法提高。因為到了這一強度，增大光強帶來 的非線性效應和對儀器的損壤無法避免·直到 Nonlinear relativistic optics 10 darge ponderomorive pressures) 1985年，摩路(Gérard Mourou)帶領的研究 Bound electrons 團隊引進了CPA(Chirped Pulse Amplification) 10% 技術一一啁啾脈衝放大技術，這才讓飛秒雷射 技術的發展恢復生機，最近·桌上型鐳射發射 Mode locking Chirped pulse amplinication 器的強度已經達到了1022wcm2。不誇張地說， 10 O-switching CPA技術就是飛秒鐳射的救世主。 1960 1970 1980 1990 2000 那麼，這CPA技術到底有何神通呢？簡 YEAR 而言之，這一手段就是將鐳射的時間長度拉伸、 放大，再壓缩，進而在儀器可以承受的範圍内放大镭射（見下頁圖）。“啁啾”(chirping)即指將波在 時間上拉長，這時光強也會相應减小·正如能量一定時功率會隨做功時間變長而减小，隨後光束通過放
CPA 技術——飛秒鐳射新時代(字數統計：1895) 致遠學院 物理班 湯清楠 自古以來，智慧的人類不斷嘗試著將光線彙聚來得到能量。在西方，西元前 200 多年，阿基米德 用凹面鏡將太陽光彙聚，燒毀了敵國的戰船；在中國，古時便有陽燧取火之法：《本草綱目》卷主：“陽 燧，火鏡也。以銅鑄成，其面凹，摩熱向日，以艾承之，則得火。”陽燧，即為照日取火的銅鏡。 而現在，人們依然利用各種鏡子，以及量子力學這個新武器來製造超強鐳射。什麼是“超強鐳射”？ 其實這裡“強”指的是鐳射的“單位面積功率”，常用單位是 W/cm2 。要提高鐳射的功率，要麼加大 能量，要麼縮短發射時間，前者往往耗資巨大，如 Nova 裝置，而後者，即“飛秒鐳射”，憑藉其相對 較低的成本，已經可以把 Nova 一樣功率的鐳射發射器搬上桌面。近幾十年間，這一技術已經為核子物 理、天體物理、高能粒子物理與廣義相對論領域的研究帶來了福音，也造出了大學實驗室就能夠負擔得 起得超高功率鐳射裝置。 飛秒鐳射概述 為什麼叫“飛秒鐳射”？因為這種雷射脈衝的持續時間是飛秒（10-15 秒）量級的，相比于傳統的 納秒（10-9 秒）雷射脈衝，縮短了 106 倍！如果把僅僅 1 焦耳的能量在 100 飛秒內發射出去，功率將高 達 100 兆瓦，這超過了世界上所有發電站功率的總和！也許讀者要問了，要這麼強的鐳射做什麼用呢？ 下面我們舉個例子：當這樣高功率的鐳射射出，將伴隨著世界上最強的電磁場，可以複製出宇宙中的極 端環境：最高絕對溫度 1010K、粒子最大加速度 1025 倍重力加速度等等，這些都是在黑洞或星球內核附 近才存在的條件，製造這樣的環境對於天體物 理的研究有重要意義。 CPA 技術誕生 飛秒鐳射的技術雖然充滿了生命力，但其 發展並非一帆風順。自1960年雷射技術問世， 其後的 5 年間，鐳射強度確實在被不斷增強， 達到了1015W/cm2（右圖），然而後面的20年， 這一技術的發展卻偃旗息鼓了，鐳射強度再也 無法提高。因為到了這一強度，增大光強帶來 的非線性效應和對儀器的損壞無法避免。直到 1985 年，摩路（Gérard Mourou）帶領的研究 團隊引進了 CPA（Chirped Pulse Amplification） 技術——啁啾脈衝放大技術，這才讓飛秒雷射 技術的發展恢復生機，最近，桌上型鐳射發射 器的強度已經達到了1022w/cm2 。不誇張地說， CPA 技術就是飛秒鐳射的救世主。 那麼，這 CPA 技術到底有何神通呢？簡 而言之，這一手段就是將鐳射的時間長度拉伸、 放大，再壓縮，進而在儀器可以承受的範圍內放大鐳射（見下頁圖）。“啁啾”（chirping）即指將波在 時間上拉長，這時光強也會相應減小，正如能量一定時功率會隨做功時間變長而減小，隨後光束通過放
大器，再被衍射光柵壓缩後，光強將是放大器能夠承受光強的上千倍·如此一來，就巧妙地繞過了放大 上限，使得雷射脈衝能夠被不斷增強。 卿頻脈衝放大術 光榴對： 用來拉長服衡街 桌上型超高強度雷射的 闆雠是一個叫「脚頻脈 短脈衡 衡放大」的技布。翠例 來說，起始的短雷射脈 衝會先被一組繞射光柵 拉長一萬倍，這步题就 放大器 叫作脚頻。拉長的脈衡 放大的拉長服街 拉長的服街 強度很低，可用一個小 型的雷时放大器將之放 大。第二對光栅又把脈 衡壓缩回去，一舉將強 原始知脈衡被放大 度抬高到放大器可承受 光相對： 用來厘船歌衡 極限的一萬倍。 相對静光學 今天，不斷提高的鐳射強度和光學元件的精度，為我們開闢出了一片新領域一一相對論光學 (Relativistic Optics)。光是一種電磁波，其傳播伴隨著振盪的電場和磁場，當光強有限時，我們只 能觀測到一般光學現象：折射，衍射等等，但是，當光強增大到1018wcm2,便會產生足以觀测的相對 論效應，正如將一把直尺速度增大到一定程度便會看到它缩短，這時，這種強烈振盪的電磁場便會給我 們帶來意外的收穫。 下圖為我們演示了相對論效應的發生，光的電場與磁場相互垂直，當一束光照射在一堆電漿（即由 陰陽離子組成的等離子體)上，電場帶動電漿中的電子沿平行於電場的方向振動，而磁場對於電子的作 用力是垂直於磁場和電子震盪方向的，即沿著光軸方向如果電磁場強度小，那麼磁效應是可以忽略的， 但是光強足夠大時，電子便會被用力地推出·光強繼續增大，連質子都會飛舞起來！通過控制光束，我 們就可以移動带電粒子，就好像我們拿著牽線的一頭，便能表演一場精彩的木偶劇！ 也許讀者已經想到了·利用這一效應，鐳射系統可以替代高能粒子加速器的部分工作，事實上，鐳 射系統可以將加速距離缩短上千倍，像LHC這樣周長近30公里的大型粒子對撞機，可能有一天會被 搬進室內呢！ 相對論光學 a 對平常強度的光而言(a),光的電場 (紅波)會使電子以低速振動。而在極 高強度時(b),電子以近乎光速振動· 光的磁場（藍波）则會使電子以極大 動量飛向前方。 電場 磁場
大器，再被衍射光柵壓縮後，光強將是放大器能夠承受光強的上千倍。如此一來，就巧妙地繞過了放大 上限，使得雷射脈衝能夠被不斷增強。 相對論光學 今天，不斷提高的鐳射強度和光學元件的精度，為我們開闢出了一片新領域——相對論光學 （Relativistic Optics）。光是一種電磁波，其傳播伴隨著振盪的電場和磁場，當光強有限時，我們只 能觀測到一般光學現象：折射，衍射等等，但是，當光強增大到 1018w/cm2 ，便會產生足以觀測的相對 論效應，正如將一把直尺速度增大到一定程度便會看到它縮短，這時，這種強烈振盪的電磁場便會給我 們帶來意外的收穫。 下圖為我們演示了相對論效應的發生，光的電場與磁場相互垂直，當一束光照射在一堆電漿（即由 陰陽離子組成的等離子體）上，電場帶動電漿中的電子沿平行於電場的方向振動，而磁場對於電子的作 用力是垂直於磁場和電子震盪方向的，即沿著光軸方向。如果電磁場強度小，那麼磁效應是可以忽略的， 但是光強足夠大時，電子便會被用力地推出，光強繼續增大，連質子都會飛舞起來！通過控制光束，我 們就可以移動帶電粒子，就好像我們拿著牽線的一頭，便能表演一場精彩的木偶劇！ 也許讀者已經想到了，利用這一效應，鐳射系統可以替代高能粒子加速器的部分工作，事實上，鐳 射系統可以將加速距離縮短上千倍，像 LHC 這樣周長近 30 公里的大型粒子對撞機，可能有一天會被 搬進室內呢！
診療癌症： 人們利用X射線診斷癌症已有百年之久，傳統的產生X射線的方法是通過陰陽兩極的電場加速電 子，當電子撞上陽極，便會產生X射線，此種方法的X射線解析度受到陽極大小的限制，一般只能檢 测到直徑1毫米的腫瘤。但是，如果使用超強鐳射系統來加速電子，便可以將其解析度控制在1微米， 這略大於其波長。增加精確度，不僅僅使我們能夠儘早發現癌細胞，還能夠把治療中對於健康細胞的損 害降到最小。CPA鐳射系統大大降低了鐳射治療的成本，雖然與傳統療法相比，加速粒子的能量較低， 能量分佈也太寬·如果能克服這兩大難題，就能夠為癌症患者帶來福音。 基於CPA技術的桌上型鐳射系統，當然無法完全取代Nova這樣的大型鐳射装置，但是它在各個 領域的多才多藝和非凡表現，就足以讓我們對其未來的價值充滿期待了。 参考文献： [1]Gerard A.Mourou,Donald Umstadter,Extreme Light [2]Gerard A.Mourou,Christopher P.J.Barty,Michael D.Perry,Ultrahigh-Intensity Lasers:Ph- ysics of the Extreme on a Tabletop
診療癌症： 人們利用 X 射線診斷癌症已有百年之久，傳統的產生 X 射線的方法是通過陰陽兩極的電場加速電 子，當電子撞上陽極，便會產生 X 射線，此種方法的 X 射線解析度受到陽極大小的限制，一般只能檢 測到直徑 1 毫米的腫瘤。但是，如果使用超強鐳射系統來加速電子，便可以將其解析度控制在 1 微米， 這略大於其波長。增加精確度，不僅僅使我們能夠儘早發現癌細胞，還能夠把治療中對於健康細胞的損 害降到最小。CPA 鐳射系統大大降低了鐳射治療的成本，雖然與傳統療法相比，加速粒子的能量較低， 能量分佈也太寬，如果能克服這兩大難題，就能夠為癌症患者帶來福音。 基於 CPA 技術的桌上型鐳射系統，當然無法完全取代 Nova 這樣的大型鐳射裝置，但是它在各個 領域的多才多藝和非凡表現，就足以讓我們對其未來的價值充滿期待了。 參考文獻： [1]Gérard A. Mourou , Donald Umstadter , Extreme Light [2]Gérard A. Mourou,Christopher P.J.Barty,Michael D.Perry , Ultrahigh-Intensity Lasers:Physics of the Extreme on a Tabletop