圖1，斬獲諾獎的三位科學(xué)家肖像，來源：諾獎官網(wǎng)

　　今天這篇解讀的重點將放在后者身上。“產(chǎn)生超強超短光學(xué)脈沖的方法”即獲得超強超短激光脈沖的啾脈沖放大技術(shù)（Chirped Pulse Amplification， CPA）。該技術(shù)“為人類創(chuàng)造最短最強的激光脈沖鋪平了道路。他們開發(fā)的技術(shù)開辟了新的研究領(lǐng)域，并帶來了廣泛的工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用。”

　　什么是超短激光？

　　超短激光一般是指脈沖寬度在飛秒量級（千萬億分之一秒）的激光脈沖，因此也叫飛秒激光。當(dāng)你讀完這句話所花的時間，比上宇宙的年齡，大概就相當(dāng)于一飛秒。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(xiàn)象的時間尺度，來源：作者供圖

　　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，脈沖寬度越短，則峰值功率越高。因此提高脈沖能量和壓縮脈沖寬度是人們獲得超強超短激光的兩條路徑。

　　提高脈沖能量的秘訣在于增加激光器各個元器件的尺寸，壓縮脈沖寬度的秘訣是不斷開發(fā)新型脈沖調(diào)制技術(shù)如調(diào)Q，鎖模。在激光發(fā)明的前十年，激光的峰值功率隨著年份指數(shù)增長，有著類似半導(dǎo)體領(lǐng)域的“摩爾定律”，并且在1970年初期增長到了1億千瓦峰值功率的量級。

　　然而至此，激光器件尤其是用于放大的晶體尺寸和激光脈沖調(diào)制技術(shù)都遇到了瓶頸。晶體可以承受的激光功率是有限的，當(dāng)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(jì)60年代末期至80年代前期堪稱超強超短激光技術(shù)黑暗的中世紀(jì)。

圖3。超強超短激光的發(fā)展歷程，Mourou 和Strickland拯救了激光領(lǐng)域的摩爾定律，來源：公有領(lǐng)域

　　正當(dāng)大多數(shù)人受困于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(chuàng)造性的引入了已經(jīng)在雷達(dá)領(lǐng)域使用的啁啾脈沖技術(shù)，即首先將低能量的超短激光脈沖在時間上進(jìn)行展寬，降低激光脈沖的峰值功率，然后經(jīng)過晶體進(jìn)行放大，最后再將脈沖持續(xù)時間壓縮至原來寬度，這樣就獲得了超強超短激光脈沖。

圖4。 啁啾脈沖放大示意圖，來源：作者供圖

　　抽象的講，啁啾脈沖放大就是時間換空間。啁啾脈沖放大給了激光新的生命。而發(fā)明這項技術(shù)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(yuǎn)的技術(shù)發(fā)明，當(dāng)時發(fā)表在了影響因子只有1.5的低檔雜志上面，這說明雜志影響因子的高低并不能完全評判一項技術(shù)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。 獲得諾獎的啁啾脈沖放大技術(shù)原始文章，來源：Elsevier

　　超強超短激光應(yīng)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(jīng)影響了我們生活的方方面面。

　　飛秒激光治療近視已經(jīng)給很多近視患者，尤其是女性患者帶來了福音。摘掉眼鏡后，沒有了近視鏡片的縮小效果，眼睛在視覺上也回到了原本的大小。

圖6 飛秒激光（超強超短激光）治療近視，來源：公有領(lǐng)域

　　超強超短激光有極高的峰值功率，能夠直接作用于原子和分子；同時又由于脈沖持續(xù)時間極短，能夠在材料產(chǎn)生熱量前就完成加工。我改變了你，你卻來不及反應(yīng)！飛秒加工的超高精度和極低熱效應(yīng)，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，來源：公有領(lǐng)域

　　超強超短激光可以加速質(zhì)子，形成“質(zhì)子刀”，“質(zhì)子刀”可以精準(zhǔn)切除癌癥細(xì)胞，不對人體正常細(xì)胞造成破壞，“質(zhì)子刀”手術(shù)有望給癌癥患者帶來福音。

圖8。 激光控制質(zhì)子刀治療癌癥，來源：公有領(lǐng)域

　　另外，超強超短激光可以加速電子，高速電子經(jīng)波蕩器后產(chǎn)生X射線，可以用來探測人體蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，解決人類的健康問題。超強超短激光可以撕裂真空，真空并非一無所有，在超高峰值功率激光作用下，真空也演化出結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出物質(zhì)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，來源：公有領(lǐng)域

　　超強超短激光在我國的發(fā)展現(xiàn)狀

　　在超高峰值功率激光技術(shù)領(lǐng)域，我國處于領(lǐng)先地位。代表研究機構(gòu)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(xué)。

　　早在上個世紀(jì)90年代，也就是諾獎得主提出全新技術(shù)后的沒幾年，我國的激光技術(shù)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，為世界最高紀(jì)錄，我國在這方面的研究首次由追趕變?yōu)轭I(lǐng)先。而且不止于此，在隨后的幾年中，我國的科研工作中不斷將峰值功率提升為2PW， 5 PW， 10PW，不斷刷新世界紀(jì)錄。更令人興奮的是，最近上海光機所宣布開發(fā)100 PW的超高峰值功率激光系統(tǒng)，這吸引了無數(shù)科研工作者的目光。上海已經(jīng)成為該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)高地，包括今年諾獎得主Gérard Mourou在內(nèi)的多位世界頂級專家都前來交流合作。

圖10。 超高峰值功率激光在我國上海光機所的發(fā)展歷程（1PW=1000億千瓦），來源：公有領(lǐng)域