啁啾脈沖放大，問(wèn)鼎諾獎(jiǎng)的激光技術(shù)

郭曉楊

2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)于近日揭曉，法國(guó)科學(xué)家杰哈·莫羅和加拿大科學(xué)家唐娜·斯特里克蘭成為這一獎(jiǎng)項(xiàng)的共同獲得者，獲獎(jiǎng)原因是他們發(fā)明了啁啾脈沖放大技術(shù)。

啁啾脈沖放大，前兩個(gè)字乍一聽(tīng)有點(diǎn)像《詩(shī)經(jīng)》的風(fēng)格，但加上后面的專業(yè)用語(yǔ)就會(huì)讓人一頭霧水。那么啁啾到底是什么意思？這項(xiàng)技術(shù)解決了什么問(wèn)題，會(huì)對(duì)人類社會(huì)帶來(lái)哪些影響呢？

“啁啾”（音同周糾）本身是擬聲詞，用來(lái)形容鳥(niǎo)叫聲。如果仔細(xì)聆聽(tīng)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)一段時(shí)間內(nèi)的鳥(niǎo)叫聲是在緊促和舒緩之間變化著的。用物理語(yǔ)言來(lái)描述，就是聲音的頻率隨著時(shí)間而變化，這種現(xiàn)象就叫作啁啾效應(yīng)。啁啾脈沖放大技術(shù)就是利用啁啾效應(yīng)產(chǎn)生高強(qiáng)度超短光學(xué)脈沖的方法。

1960年，世界上第一臺(tái)激光器誕生。后來(lái)，科學(xué)家們又發(fā)明出調(diào)Q和鎖模技術(shù)，將激光的持續(xù)時(shí)間縮短到納秒（一億分之一秒）、皮秒（一千億分之一秒）乃至飛秒（一百萬(wàn)億分之一秒）。與此同時(shí)，激光晶體的生長(zhǎng)加工工藝也不斷發(fā)展，激光的能量提升至焦耳甚至千焦耳量級(jí)。激光發(fā)明10年后，其峰值功率已經(jīng)超過(guò)一吉瓦（一億瓦）。

一個(gè)難題是，作為激光放大器的核心元件，激光晶體單位面積可以承受的峰值功率是有限的。激光峰值功率過(guò)高，就會(huì)惡化激光質(zhì)量并造成晶體損毀，因此人們需要控制激光晶體負(fù)載的單位面積的峰值功率。而方法只有兩種，要么繼續(xù)增加激光晶體的尺寸，要么增加激光的持續(xù)時(shí)間。

隨著技術(shù)的發(fā)展，激光晶體的尺寸雖有所增加，但增加幅度有限，并沒(méi)有達(dá)到數(shù)量級(jí)上的突破。增加激光的持續(xù)時(shí)間雖然可以使能量增加，但無(wú)法帶來(lái)峰值功率的提升。上世紀(jì)70年代至80年代前期，激光峰值功率的提升十分緩慢。

1985年，激光技術(shù)終于迎來(lái)突破。當(dāng)時(shí)還在讀博士的唐娜·斯特里克蘭在其導(dǎo)師杰哈·莫羅的指導(dǎo)下，創(chuàng)造性地發(fā)明出啁啾脈沖放大技術(shù)。她先將待放大激光的持續(xù)時(shí)間伸長(zhǎng)，以降低其峰值功率，然后再注入到激光晶體中放大。放大后的激光通過(guò)壓縮器就可以將脈沖持續(xù)時(shí)間壓縮至最短，由此獲得了高能量、短持續(xù)時(shí)間、高峰值功率的激光。

這項(xiàng)技術(shù)的核心思想是用時(shí)間換空間，即繞開(kāi)激光晶體空間尺寸的限制，利用啁啾效應(yīng)，引入頻率調(diào)制實(shí)現(xiàn)激光持續(xù)時(shí)間的伸縮，將晶體損傷風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)嫁給后面的壓縮器。所幸壓縮器的空間尺寸可以做到遠(yuǎn)大于激光晶體。由于激光持續(xù)時(shí)間的伸縮比率可達(dá)百萬(wàn)，因此激光的峰值功率亦能提升上百萬(wàn)倍。

時(shí)至今日，采用啁啾脈沖放大技術(shù)獲得的高強(qiáng)度激光，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。高強(qiáng)度、短持續(xù)時(shí)間的激光，可以輕松切碎人體生物組織。比如在醫(yī)學(xué)上，可用于治療近視。此外，這種激光還可以精密切割、打孔，孔徑可達(dá)微米量級(jí)，且邊緣齊整無(wú)毛刺。它還可以將電子加速到接近光速，高速電子產(chǎn)生的次級(jí)光源可以探測(cè)人體蛋白質(zhì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。如果繼續(xù)增加強(qiáng)度，激光甚至可以撕裂真空，幫助人類探索宇宙的終極奧秘。