近期，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予發(fā)明光學(xué)鑷子的美國(guó)物理學(xué)家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin），以及開(kāi)創(chuàng)了啁啾脈沖放大技術(shù)的唐娜·斯特里克蘭（Donna Strickland）、 熱拉爾·穆魯（Gérard Mourou）。“啁啾脈沖放大技術(shù)”在此之前可能并不為公眾所熟知。但事實(shí)上，這項(xiàng)名稱怪異的技術(shù)，已經(jīng)在工業(yè)及醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。2002年，熱拉爾·穆魯曾為《科學(xué)美國(guó)人》撰文，深度解讀啁啾脈沖放大技術(shù)。以下為全文翻譯：
熱拉爾·穆魯（Gérard Mourou）熱拉爾·穆魯（Gérard Mourou）
人類自有文明起，就夢(mèng)想能獲得強(qiáng)光。傳說(shuō)公元212年，阿基米德曾用一面巨大的反射鏡將陽(yáng)光聚焦，點(diǎn)燃了集結(jié)在敘拉古的羅馬戰(zhàn)船而使敵人葬身火海。雖然這個(gè)故事只是神話，但另一位希臘人Diocles的發(fā)明卻是真的。公元前200年，他制作了一個(gè)拋物面反射鏡，這可算得上人類歷史上第一種理想的聚焦光學(xué)器件。兩千年以后，研究人員把反射鏡與量子力學(xué)結(jié)合起來(lái)，獲得了一種無(wú)所不能的高強(qiáng)度光源——激光。
一臺(tái)名叫Nova（新星）的激光器于1985年在美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室投入運(yùn)行，一直工作到l999年，現(xiàn)在它已成為大功率激光器的象征。這臺(tái)激光器因其亮度堪與爆炸后的恒星亮度相媲美而得名，它是迄今為止功率最大的激光器之一。l0臺(tái)并排放置的激光放大器占據(jù)了500多平方米大的空間；反射鏡用重達(dá)180多公斤的玻璃塊制成，它把光束引向目標(biāo)來(lái)進(jìn)行核聚變和其它各種實(shí)驗(yàn)。為避免機(jī)器過(guò)熱，Nova每天只開(kāi)動(dòng)幾次。很明顯，為了達(dá)到極高的功率，它不得不聚集大量的能量。
但是要記住功率是單位時(shí)間內(nèi)傳送出的能量，它不僅與能量的大小有關(guān)，也與發(fā)送能量的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。因此，我們可以通過(guò)另一種方法來(lái)產(chǎn)生超高功率，那就是在極短的時(shí)間內(nèi)釋放出適當(dāng)?shù)哪芰俊０船F(xiàn)今超快激光器所達(dá)到的水平來(lái)衡量，Nova通常產(chǎn)生的脈沖是相當(dāng)長(zhǎng)的（3納秒），而產(chǎn)生每個(gè)脈沖需要數(shù)千焦耳的能量。一種新型的激光器小得可以安裝在桌面上，但它產(chǎn)生的功率卻與Nova不相上下，其奧妙就在于它使用的脈沖僅為Nova的萬(wàn)分之一。例如，假定一臺(tái)超高功率激光器的每個(gè)脈沖只有區(qū)區(qū)1焦耳的能量，但脈沖持續(xù)時(shí)間卻短至l00飛秒（1飛秒為10^-15秒），那么它的功率便可達(dá)到10萬(wàn)億瓦，比全世界所有發(fā)電站的總發(fā)電量還大。
這類小型激光器每天可點(diǎn)燃1億次，并可以把它們發(fā)出的能量集中在只有1微米的小點(diǎn)上，從而產(chǎn)生出地球上強(qiáng)度最高的光。這樣大的功率同時(shí)也形成了地球上最強(qiáng)的電場(chǎng)，其大小為每厘米1萬(wàn)億伏左右。這種高強(qiáng)度激光與物質(zhì)的相互作用可以產(chǎn)生只有在恒星內(nèi)核或黑洞附近才能觀察到的極端物理?xiàng)l件，包括極高的溫度（10^10開(kāi)氏度），極強(qiáng)的磁場(chǎng)（10^9高斯）和極大的粒子加速度（相當(dāng)于地球上重力加速度的10^25倍）。
這類激光器的造價(jià)僅為l00萬(wàn)美元而非人們所想的數(shù)億美元，因此它們將有助于讓“高級(jí)科學(xué)”回歸普通的大學(xué)實(shí)驗(yàn)室，而研究資金有限的國(guó)家也可以涉足這一領(lǐng)域的研究。在世界各地，這種激光器已經(jīng)用于物理學(xué)若干分支的研究工作，其中包括核物理學(xué)、天體物理學(xué)、高能粒子物理學(xué)以及廣義相對(duì)論等。
絕技逞威
激光器是在1960年問(wèn)世的。其后的5年間，臺(tái)式激光器通過(guò)一系列的技術(shù)改進(jìn)已達(dá)到10^9瓦的功率。再后的20年中沒(méi)有出現(xiàn)多大進(jìn)展，臺(tái)式激光器的最大功率基本上在原地徘徊。當(dāng)時(shí)提高激光器功率的唯一辦法就是研制出更大的激光器。如果使激光器超出極限光強(qiáng)度的范圍以外，將使激光器元件產(chǎn)生有害的非線性效應(yīng)，影響光束質(zhì)量，甚至損壞元件。Mourou（本文作者之一）所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組推出了一項(xiàng)名為“啁啾調(diào)頻脈沖放大”（Chirped Pulse Amplification）的技術(shù)以后，這一光學(xué)破壞問(wèn)題才得以解決。臺(tái)式激光器的輸出功率因此而猛增了10^3到l0^5倍。
對(duì)一個(gè)信號(hào)或波進(jìn)行“啁啾調(diào)頻”（Chirping）就是把它在時(shí)間上拉長(zhǎng)。在通過(guò)啁啾調(diào)頻放大脈沖時(shí)，第一步是用振蕩器產(chǎn)生一個(gè)短脈沖并把它拉長(zhǎng)，通常拉長(zhǎng)10^3到10^5倍。這一過(guò)程使脈沖的強(qiáng)度下降了同樣的倍數(shù)。然后就可以用標(biāo)準(zhǔn)的激光放大方法來(lái)放大這個(gè)脈沖。最后一步則是用一臺(tái)結(jié)實(shí)的裝置（如真空中的一對(duì)衍射光柵）將脈沖重新壓縮回它原先的長(zhǎng)度，這樣就使它的功率大大提高，超出放大器功率極限的10^3到10^5倍。我們來(lái)看一個(gè)典型的例子。最初的種子脈沖其長(zhǎng)度為l00飛秒，能量為0.2納焦耳。我們把它拉長(zhǎng)10^4倍，使其長(zhǎng)度變?yōu)?納秒（其功率則從大約2千瓦降低到0.2瓦）。然后把它放大10個(gè)數(shù)量級(jí)，這樣它的能量就增加到2焦耳，功率增加到2千瓦。把這個(gè)脈沖的長(zhǎng)度重新壓縮到100飛秒，就使功率增加到20萬(wàn)億瓦。如果沒(méi)有這項(xiàng)技術(shù)，讓最初那個(gè)功率為2千瓦的脈沖穿過(guò)臺(tái)式放大器很可能導(dǎo)致放大器被毀，除非我們把放大器的橫截面積擴(kuò)大10^4倍，并讓光束分散到整個(gè)橫截面上。CPA技術(shù)使我們有可能利用傳統(tǒng)的激光放大器而又不會(huì)導(dǎo)致非線性光學(xué)效應(yīng)的出現(xiàn)。
完善CPA技術(shù)并不象說(shuō)起來(lái)那樣簡(jiǎn)單。用來(lái)拉長(zhǎng)或壓縮脈沖的標(biāo)準(zhǔn)器件一般并不能使脈沖實(shí)現(xiàn)完全線性的拉長(zhǎng)或壓縮；如果啁啾調(diào)頻裝置和脈沖壓縮裝置的特性不能高度匹配，那么這一過(guò)程將產(chǎn)生非常糟糕的結(jié)果。
過(guò)去幾年中，由于矯正光學(xué)器件的發(fā)展使激光束能夠被聚焦成尺寸小得多的光斑，光強(qiáng)度有了進(jìn)一步提高。這一進(jìn)展以及脈沖壓縮技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)使脈沖強(qiáng)度已提高到給定光能量下所能達(dá)到的最大強(qiáng)度。
激光的功率與強(qiáng)度在20世紀(jì)90年代所取得的這些進(jìn)展使研究光與物質(zhì)間相互作用——屬于“相對(duì)論光學(xué)”（relativistic optics）研究的范疇——居于統(tǒng)治地位。發(fā)生這類相互作用時(shí)光把電子加速到接近光速。在CPA技術(shù)問(wèn)世之前，這類相互作用只有使用非常龐大和昂貴的激光系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)。
相對(duì)論光學(xué)
光學(xué)是研究電子對(duì)光的反應(yīng)。這一定義聽(tīng)起來(lái)可能與許多人心目中的光學(xué)相距甚遠(yuǎn)，例如光被鏡面反射或受到游泳池水的折射。但任何一種物質(zhì)的光學(xué)特性都與光如何與該物質(zhì)中的電子相互作用有關(guān)。
光是耦合電磁場(chǎng)以極高頻率同步振蕩時(shí)所形成的一種波。電場(chǎng)與磁場(chǎng)振蕩的方向互相垂直，并且與光波行進(jìn)的方向垂直。當(dāng)電子與具有通常功率的光波相遇時(shí)，光波的電場(chǎng)便對(duì)電子施加一個(gè)作用力，使它振蕩起來(lái)。電子的振蕩方向與電場(chǎng)方向平行，振蕩的頻率則與光波頻率相同，但它的振蕩不一定與光波相同。電子的振蕩可能落在光波后面，也可能超前，這要看電子是如何束縛在物質(zhì)的原子上。反過(guò)來(lái)，電子振蕩的幅度和相位也決定了光波如何在物質(zhì)中傳播，從而決定了物質(zhì)的光學(xué)特性。
古典光學(xué)認(rèn)為，電子的振蕩幅度很小，因此電子的振蕩速度與光速相比始終是非常小的。然而，隨著激光強(qiáng)度增加到每平方厘米10^18瓦以上，電子的振蕩速度開(kāi)始接近光速，此時(shí)相對(duì)論效應(yīng)從根本上改變了電子對(duì)光的響應(yīng)。
首先，速度越高，電子的質(zhì)量就越大，這使電子振蕩的振幅和相位均受到影響。更重要的是，光波的磁場(chǎng)也開(kāi)始發(fā)揮作用。只有當(dāng)電荷在運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁場(chǎng)才會(huì)對(duì)電荷產(chǎn)生作用力。在古典光學(xué)的范圍內(nèi)，磁力可以忽略不計(jì)。但是當(dāng)電子的振蕩速度接近光速時(shí)，磁場(chǎng)就會(huì)使電子的運(yùn)動(dòng)路徑彎曲成螺旋形，并使電子在沿光束行進(jìn)的方向上獲得巨大的動(dòng)量。這一效應(yīng)在相對(duì)論光學(xué)中起著核心作用。
質(zhì)子的質(zhì)量幾乎為電子質(zhì)量的2000倍，這樣它在與光波相遇時(shí)振幅也比電子小得多，因此光與原子核的相互作用通常可以忽略不計(jì)。但是當(dāng)光的強(qiáng)度足夠高時(shí)，它也會(huì)使質(zhì)子以相對(duì)論的速度運(yùn)動(dòng)。這時(shí)可能發(fā)生許多核反應(yīng)過(guò)程（如聚變反應(yīng)），因此我們不妨稱這研究領(lǐng)域?yàn)楹斯鈱W(xué)（nuclear optics）。