圖1，斬獲諾獎(jiǎng)的三位科學(xué)家肖像，來源：諾獎(jiǎng)官網(wǎng)

　　今天這篇解讀的重點(diǎn)將放在后者身上。“產(chǎn)生超強(qiáng)超短光學(xué)脈沖的方法”即獲得超強(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(shí)間，也只跑3毫米。

圖2 不同物理現(xiàn)象的時(shí)間尺度，來源：作者供圖

　　如何獲得超強(qiáng)超短激光？

　　提高激光的強(qiáng)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(qiáng)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(gè)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(shí)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(qiáng)超短激光技術(shù)黑暗的中世紀(jì)。

圖3。超強(qiáng)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(shí)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(shí)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(shí)間壓縮至原來寬度，這樣就獲得了超強(qiáng)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(shí)間換空間。啁啾脈沖放大給了激光新的生命。而發(fā)明這項(xiàng)技術(shù)的Gérard Mourou和Donna Strickland，榮膺諾獎(jiǎng)實(shí)至名歸。值得一提的是，他們這項(xiàng)影響深遠(yuǎn)的技術(shù)發(fā)明，當(dāng)時(shí)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(xiàng)技術(shù)的意義！另外，他們兩位是師生，Strickland是第三位獲得諾獎(jiǎng)的女性。

圖5。 獲得諾獎(jiǎng)的啁啾脈沖放大技術(shù)原始文章，來源：Elsevier

　　超強(qiáng)超短激光應(yīng)用

　　激光是一個(gè)工具，超強(qiáng)超短激光是一個(gè)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(qiáng)超短激光）治療近視，來源：公有領(lǐng)域

　　超強(qiáng)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(shí)又由于脈沖持續(xù)時(shí)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(qiáng)超短激光在火柴頭上雕刻，來源：公有領(lǐng)域

　　超強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)，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(qiáng)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(jī)構(gòu)有中科院上海光機(jī)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(gè)世紀(jì)90年代，也就是諾獎(jiǎng)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(jī)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(jī)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(jiǎng)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(jī)所的發(fā)展歷程（1PW=1000億千瓦），來源：公有領(lǐng)域