啁啾脈沖放大，問鼎諾獎的激光技術

郭曉楊

2018年諾貝爾物理學獎于近日揭曉，法國科學家杰哈·莫羅和加拿大科學家唐娜·斯特里克蘭成為這一獎項的共同獲得者，獲獎原因是他們發明了啁啾脈沖放大技術。

啁啾脈沖放大，前兩個字乍一聽有點像《詩經》的風格，但加上后面的專業用語就會讓人一頭霧水。那么啁啾到底是什么意思？這項技術解決了什么問題，會對人類社會帶來哪些影響呢？

“啁啾”（音同周糾）本身是擬聲詞，用來形容鳥叫聲。如果仔細聆聽，你會發現一段時間內的鳥叫聲是在緊促和舒緩之間變化著的。用物理語言來描述，就是聲音的頻率隨著時間而變化，這種現象就叫作啁啾效應。啁啾脈沖放大技術就是利用啁啾效應產生高強度超短光學脈沖的方法。

1960年，世界上第一臺激光器誕生。后來，科學家們又發明出調Q和鎖模技術，將激光的持續時間縮短到納秒（一億分之一秒）、皮秒（一千億分之一秒）乃至飛秒（一百萬億分之一秒）。與此同時，激光晶體的生長加工工藝也不斷發展，激光的能量提升至焦耳甚至千焦耳量級。激光發明10年后，其峰值功率已經超過一吉瓦（一億瓦）。

一個難題是，作為激光放大器的核心元件，激光晶體單位面積可以承受的峰值功率是有限的。激光峰值功率過高，就會惡化激光質量并造成晶體損毀，因此人們需要控制激光晶體負載的單位面積的峰值功率。而方法只有兩種，要么繼續增加激光晶體的尺寸，要么增加激光的持續時間。

隨著技術的發展，激光晶體的尺寸雖有所增加，但增加幅度有限，并沒有達到數量級上的突破。增加激光的持續時間雖然可以使能量增加，但無法帶來峰值功率的提升。上世紀70年代至80年代前期，激光峰值功率的提升十分緩慢。

1985年，激光技術終于迎來突破。當時還在讀博士的唐娜·斯特里克蘭在其導師杰哈·莫羅的指導下，創造性地發明出啁啾脈沖放大技術。她先將待放大激光的持續時間伸長，以降低其峰值功率，然后再注入到激光晶體中放大。放大后的激光通過壓縮器就可以將脈沖持續時間壓縮至最短，由此獲得了高能量、短持續時間、高峰值功率的激光。

這項技術的核心思想是用時間換空間，即繞開激光晶體空間尺寸的限制，利用啁啾效應，引入頻率調制實現激光持續時間的伸縮，將晶體損傷風險轉嫁給后面的壓縮器。所幸壓縮器的空間尺寸可以做到遠大于激光晶體。由于激光持續時間的伸縮比率可達百萬，因此激光的峰值功率亦能提升上百萬倍。

時至今日，采用啁啾脈沖放大技術獲得的高強度激光，已經得到廣泛應用。高強度、短持續時間的激光，可以輕松切碎人體生物組織。比如在醫學上，可用于治療近視。此外，這種激光還可以精密切割、打孔，孔徑可達微米量級，且邊緣齊整無毛刺。它還可以將電子加速到接近光速，高速電子產生的次級光源可以探測人體蛋白質的復雜結構。如果繼續增加強度，激光甚至可以撕裂真空，幫助人類探索宇宙的終極奧秘。