一、 超短超强激光简介

国际上一般将脉冲宽度小于1ps、峰值功率高于1TW（10¹²W）的激光称为超短超强激光。自啁啾脉冲放大技术（CPA）发明以来，超短超强激光的峰值功率水平得到了快速发展，目前人类已经可以产生峰值功率达到10PW（10¹⁶W）的超短超强激光。由于CPA的发明， G.Mourou和D.Strickland获得2018年诺贝尔物理学奖。在超短超强激光取得令人兴奋的成就的同时，我们也应该看到，当人类进一步提升超短超强激光的功率水平乃至面向Schwinger极限光强迈进时，CPA放大方案的瓶颈开始显现；另外，随着激光峰值功率向100PW乃至EW迈进，脉冲前沿的噪声问题也将变得更加严重，如何实现超短超强激光的超高信噪比成为本领域的一个重大挑战。如何让脉冲更强、信噪比更高是超短超强激光发展永恒的主旋律。                    

图1 左图：超短超强激光的发展史；右图：CPA技术的发明者

二、 主要研究进展

激光等离子体实验室瞄准超短超强激光领域的挑战性问题和前沿技术，开展了超高信噪比单次测量技术、强激光噪声“带内滤波”新技术、准参量放大强激光新概念放大技术等方面研究，取得了系列研究进展。   

（1） 具有国际声誉的信噪比单次测量原创技术

在10¹⁰的动态范围水平上解决了“对拍瓦激光超高信噪比进行单发次测量”的世界性难题，研制了800nm和1053nm两个波长版本的超高动态范围（>10¹⁰）信噪比单次测量样机，成功应用于我国全部的五套拍瓦强激光装置，并研制了可测量强激光系统时空噪声和远场脉冲信噪比的新一代时空二维信噪比测量仪，该系列成果荣获2017年度教育部技术发明奖一等奖。

图3：发明了超快二维时空互相关技术，可以诊断空间元件引发的噪声，使得超短超强激光领域首次具备了测量时空光噪声和对噪声进行溯源的能力（美国专利9574946；Nature Communications 2015, 6: 6192）。

图4：研制的1053nm（钕玻璃强激光）和800nm（钛宝石/OPCPA激光）两个波长版本的信噪比单次测量仪，应用于我国全部的5套拍瓦激光装置，起到不可或缺的作用。

（2） 发明了前所未有的“带内滤波”新技术，首次实现对超高信噪比脉冲的低噪声放大。

全面完整地阐明了强激光OPCPA放大器中噪声的产生机理与演变规律，揭示了OPCPA放大器特有的相干噪声问题，新发现了源于后沿次脉冲向前沿非线性转移、起源于元件表面散射的光参量噪声、非线性拍频噪声和时空噪声等四类相干噪声机理；发明了带内滤波这一新概念技术，将其应用于超短超强激光放大器，首次在高增益状态下获得了低噪声放大的效果，突破了以往只能净化注入种子脉冲的技术瓶颈。

表1：针对放大器噪声的起源问题，新揭示了四种寄生噪声机理及其演变规律

图5 实验构建了首个光学领域的带内滤波器，通过对噪声引入空间啁啾，可实现对光学噪声的甄别和高效滤除（Laser Photonics Reviews 2018, 8: 1700316）。   

图6 构建的带内滤波器首次实现了对超高信噪比(10¹¹)脉冲的低噪声放大，与同等条件下未执行带内滤波的传统OPCPA相比，信噪比提升了近2个数量级。   

（3） 原创发明了QPCPA强激光新概念放大技术

发明并验证了准参量啁啾脉冲放大(QPCPA)新概念放大方案，可从根本上抑制参量倒流效应，兼具能级放大CPA方案的高效率和OPCPA放大方案的大带宽，放大能力超过CPA和OPCPA方案约一个数量级，可突破单束激光的“数拍瓦功率瓶颈”，有望支撑单束10-100PW强激光输出，同时QPCPA对位相失配不敏感，皮实牢靠。该成果是2018年“求是科技成就集体奖”的重要组成部分。

图7： CPA、OPCPA和QPCPA三种放大方案的原理与特征。效率 (横坐标)与带宽 (纵坐标)的乘积决定了强激光放大能力。QPCPA是对OPCPA的升华，它通过对闲频光引入强烈耗损，解决了能量倒流问题，同时对位相失配不敏感，因此同时具有高效率和大带宽，其放大能力最高（Optica 2015, 2:1006，获得美国专利授权9647407）。 

三、 成果影响

（1） 超高信噪比单次测量技术获教育部技术发明一等奖

（2） 由于对强激光领域的贡献部分成员获香港求是基金会杰出科技成就集体奖。