[科普中国]-他们，拯救了激光领域的摩尔定律

北京时间2018年10月2日17时50分许，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将2018年诺贝尔物理学奖授予美国科学家Arthur Ashkin、法国科学家Gerard Mourou和加拿大科学家Donna Strickland，以表彰他们“在激光物理领域的突破性发明”。其中，Ashkin的贡献为“光学镊子及其在生物系统的应用”，Mourou和Strickland的贡献为“产生超强超短光学脉冲的方法”。

图1，斩获诺奖的三位科学家肖像，来源：诺奖官网https://www.nobelprize.org

我们昨天已经简单地介绍过了光镊技术，今天这篇解读的重点将放在后者身上。“产生超强超短光学脉冲的方法”即获得超强超短激光脉冲的啾脉冲放大技术（Chirped Pulse Amplification, CPA）。该技术“为人类创造最短最强的激光脉冲铺平了道路。他们开发的技术开辟了新的研究领域，并带来了广泛的工业和医疗应用。”

什么是超短激光？

超短激光一般是指脉冲宽度在飞秒量级(千万亿分之一秒)的激光脉冲，因此也叫飞秒激光。当你读完这句话所花的时间，比上宇宙的年龄，大概就相当于一飞秒。即使快如光速，每秒30万公里，哪怕给他1000飞秒的时间，也只跑3毫米。

图2 不同物理现象的时间尺度，来源：作者供图

如何获得超强超短激光？

提高激光的强度是激光工作者孜孜不倦的追求。激光的能量越高，脉冲宽度越短，则峰值功率越高。因此提高脉冲能量和压缩脉冲宽度是人们获得超强超短激光的两条路径。

提高脉冲能量的秘诀在于增加激光器各个元器件的尺寸，压缩脉冲宽度的秘诀是不断开发新型脉冲调制技术如调Q，锁模。在激光发明的前十年，激光的峰值功率随着年份指数增长，有着类似半导体领域的“摩尔定律”，并且在1970年初期增长到了1亿千瓦峰值功率的量级。

然而至此，激光器件尤其是用于放大的晶体尺寸和激光脉冲调制技术都遇到了瓶颈。晶体可以承受的激光功率是有限的，当晶体尺寸无法增加的时候，激光的峰值功率也就无法再提升，激光届的“摩尔定律”失效。上世纪60年代末期至80年代前期堪称超强超短激光技术黑暗的中世纪。

图3.超强超短激光的发展历程，Mourou 和Strickland拯救了激光领域的摩尔定律，来源：公有领域

正当大多数人受困于激光器件尺寸有限而无法提升峰值功率的时候，Gérard Mourou和Donna Strickland创造性的引入了已经在雷达领域使用的啁啾脉冲技术，即首先将低能量的超短激光脉冲在时间上进行展宽，降低激光脉冲的峰值功率，然后经过晶体进行放大，最后再将脉冲持续时间压缩至原来宽度，这样就获得了超强超短激光脉冲。

图4. 啁啾脉冲放大示意图，来源：作者供图

抽象的讲，啁啾脉冲放大就是时间换空间。啁啾脉冲放大给了激光新的生命。而发明这项技术的Gérard Mourou和Donna Strickland，荣膺诺奖实至名归。值得一提的是，他们这项影响深远的技术发明，当时发表在了影响因子只有1.5的低档杂志上面，这说明杂志影响因子的高低并不能完全评判一项技术的意义！另外，他们两位是师生，Strickland是第三位获得诺奖的女性。

图5. 获得诺奖的啁啾脉冲放大技术原始文章，来源：Elsevier

超强超短激光应用

激光是一个工具，超强超短激光是一个超级厉害的工具，它已经影响了我们生活的方方面面。

飞秒激光治疗近视已经给很多近视患者，尤其是女性患者带来了福音。摘掉眼镜后，没有了近视镜片的缩小效果，眼睛在视觉上也回到了原本的大小。

图6 飞秒激光（超强超短激光）治疗近视，来源：公有领域

超强超短激光有极高的峰值功率，能够直接作用于原子和分子；同时又由于脉冲持续时间极短，能够在材料产生热量前就完成加工。我改变了你，你却来不及反应！飞秒加工的超高精度和极低热效应，让我们能够加工一些非常敏感的材料，即使在火柴头上雕刻都“火不起来”。

图7 超强超短激光在火柴头上雕刻，来源：公有领域

超强超短激光可以加速质子，形成“质子刀”，“质子刀“可以精准切除癌症细胞，不对人体正常细胞造成破坏，“质子刀”手术有望给癌症患者带来福音。

图8. 激光控制质子刀治疗癌症，来源：公有领域

另外，超强超短激光可以加速电子，高速电子经波荡器后产生X射线，可以用来探测人体蛋白质结构，解决人类的健康问题。超强超短激光可以撕裂真空，真空并非一无所有，在超高峰值功率激光作用下，真空也演化出结构，表现出物质属性。激光足够强，真空也颤抖，问你怕不怕。

图9 超高峰值功率激光加速电子，来源：公有领域

超强超短激光在我国的发展现状

在超高峰值功率激光技术领域，我国处于领先地位。代表研究机构有中科院上海光机所，中科院物理所，中国工程物理研究院和上海交通大学。

早在上个世纪90年代，也就是诺奖得主提出全新技术后的没几年，我国的激光技术工作者就已开展这方面的研究。2007年，上海光机所获得了0.89PW（1百万亿瓦）的激光输出，为世界最高纪录，我国在这方面的研究首次由追赶变为领先。而且不止于此，在随后的几年中，我国的科研工作中不断将峰值功率提升为2PW, 5 PW, 10PW，不断刷新世界纪录。更令人兴奋的是，最近上海光机所宣布开发100 PW的超高峰值功率激光系统，这吸引了无数科研工作者的目光。上海已经成为该领域的学术高地，包括今年诺奖得主Gérard Mourou在内的多位世界顶级专家都前来交流合作。

图10. 超高峰值功率激光在我国上海光机所的发展历程（1PW=1000亿千瓦），来源：公有领域

参考文献

[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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