2018年諾貝爾物理學獎解讀，超強超短激光技術
來自專欄 Laser
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出品：科普中國
作者，楊歡，大片
監製：中國科學院計算機網路信息中心
2018年10月2日，北京時間17時50分許，瑞典皇家科學院在斯德哥爾摩宣布，將2018年諾貝爾物理學獎授予美國科學家Arthur Ashkin、法國科學家Gerard Mourou和加拿大科學家Donna Strickland，以表彰他們「在激光物理領域的突破性發明」。其中，Ashkin的貢獻為「光學鑷子及其在生物系統的應用」， Mourou和Strickland的貢獻為「產生超強超短光學脈衝的方法」。
圖1，斬獲諾獎的三位科學家肖像，來源：諾獎官網https://www.nobelprize.org
今天我們就來談談「產生超強超短光學脈衝的方法」即獲得超強超短激光脈衝的啾脈衝放大技術（Chirped Pulse Amplification, CPA）。該技術「為人類創造的最短最強的激光脈衝鋪平了道路。他們開發的技術開闢了新的研究領域，並帶來了廣泛的工業和醫療應用。」
什麼是超短激光？
超短激光一般是指脈衝寬度在飛秒量級(千萬億分之一秒)的激光脈衝，因此也叫飛秒激光。當你讀完這句話所花的時間，比上宇宙的年齡，大概就相當於一飛秒比上眨眼的功夫。即使快如光速，每秒30萬公里，哪怕給他1000飛秒的時間，也只跑3毫米。
圖2 不同物理現象的時間尺度
如何獲得超強超短激光？
提高激光的強度是激光工作者孜孜不倦的追求。激光的能量越高，脈衝寬度越短，則峰值功率越高。因此提高脈衝能量和壓縮脈衝寬度是人們獲得超強超短激光的兩條路徑。提高脈衝能量的秘訣在於增加激光器各個元器件的尺寸，壓縮脈衝寬度的秘訣是不斷開發新型脈衝調製技術如調Q，鎖模。在激光發明的前十年，激光的峰值功率隨著年份指數增長，有著類似半導體領域的「摩爾定律」，並且在1970年初期增長到了1億千瓦峰值功率的量級。然而至此，激光器件尤其是用於放大的晶體尺寸和激光脈衝調製技術都遇到了瓶頸。晶體可以承受的激光功率是有限的，當晶體尺寸無法增加的時候，激光的峰值功率也就無法再提升，激光屆的「摩爾定律」失效。上世紀60年代末期至80年代前期堪稱超強超短率激光技術屆黑暗的中世紀。
圖3.超強超短激光的發展歷程（來自網路），Mourou 和Strickland拯救了激光領域的摩爾定律.
正當大多數人受困於激光器件尺寸有限而無法提升峰值功率的時候，Gérard Mourou和Donna Strickland創造性的引入了已經在雷達領域使用的啁啾脈衝技術，即首先將低能量的超短激光脈衝的在時間上進行展寬，降低激光脈衝的峰值功率，然後經過晶體進行放大，最後再將脈衝持續時間壓縮至原來寬度，這樣就獲得了超強超短激光脈衝。
圖4. 啁啾脈衝放大示意圖（圖片來自網路）
抽象的講，啁啾脈衝放大就是時間換空間。啁啾脈衝放大給了激光新的生命。而發明這項技術的Gérard Mourou和Donna Strickland，榮膺諾獎實至名歸。值得一提的是，他們這項影響深遠的技術發明，當時發表在了影響因子只有1.5的低檔雜誌上面，這說明雜誌影響因子的高低並不能完全評判一項技術的意義！另外，他們兩位是師生，Strickland是第三位獲得諾獎的女性。
圖5. 獲得諾獎的啁啾脈衝放大技術原始文章
超強超短激光應用：
激光是一個工具，超強超短激光是一個超級厲害的工具，它已經影響了我們生活的方方面面。
近視手術。飛秒激光治療近視已經給很多近視患者，尤其是女生患者帶來了福音。摘掉眼鏡後，眼睛都變大了。
圖6 飛秒激光（超強超短激光）治療近視 （圖片來自網路）
超強超短激光有極高的峰值功率，能夠直接作用於原子和分子；同時又由於脈衝持續時間極短，能夠在材料產生熱量前就完成加工。我改變了你，你卻來不及反應！ 飛秒加工的超高精度和極低熱效應，讓我們能夠加工一些非常敏感的材料，即使在火柴頭上雕刻都「火不起來」。
圖7 超強超短激光在火柴頭上雕刻 （圖片來自網路）
超強超短激光可以加速質子，形成「質子刀」，「質子刀「可以精準切除癌症細胞，不對人體正常細胞造成破壞，「質子刀」手術有望給癌症患者帶來福音。
圖8. 激光控制質子刀治療癌症（示意圖，圖片來自網路）
另外，超強超短激光可以加速電子，高速電子經波盪器後產生X射線，可以用來探測人體蛋白質結構，解決人類的健康問題。超強超短激光可以撕裂真空，真空並非一無所有，在超高峰值功率激光作用下，真空也演化出結構，表現出物質屬性。激光足夠強，真空也顫抖，問你怕不怕。
圖9 超高峰值功率激光加速電子（圖片來自網路）
超強超短激光在我國的發展：
在超高峰值功率激光技術領域，我國處於領先地位。代表研究機構有中科院上海光機所，中科院物理所，中國工程物理研究院和上海交通大學。
早在上個世紀90年代，也就是諾獎得主提出全新技術後的沒幾年，我國的激光技術工作者就已開展這方面的研究。2007年，上海光機所獲得了0.89PW（1百萬億瓦）的激光輸出，為世界最高記錄，我國在這方面的研究首次由追趕變為領先。而且不止於此，在隨後的幾年中，我國的科研工作中不斷將峰值功率提升為2PW, 5 PW, 10PW，不斷刷新世界記錄。更令人興奮的是，最近上海光機所宣布開發100 PW的超高峰值功率激光系統，這吸引了無數科研工作者的目光。上海已經成為該領域的學術高地，包括今年諾獎得主Gérard Mourou在內的多為世界頂級專家前來交流合作。
圖10. 超強超短激光在我國上海光機所的發展歷程 （1PW=1000億千瓦）
[1] Donna Strickland, Gerard Mourou 「Compression of amplified chirped optical pulses」, Optics Communications, 55(6), 447-449 (1985)
[2] Yuxi Chu et al, "High-contrast 2.0 Petawatt Ti:sapphire laser system," Opt. Express 21, 29231-29239 (2013)
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