啁啾脉冲放大，问鼎诺奖的激光技术

郭晓杨

2018年诺贝尔物理学奖于近日揭晓，法国科学家杰哈·莫罗和加拿大科学家唐娜·斯特里克兰成为这一奖项的共同获得者，获奖原因是他们发明了啁啾脉冲放大技术。

啁啾脉冲放大，前两个字乍一听有点像《诗经》的风格，但加上后面的专业用语就会让人一头雾水。那么啁啾到底是什么意思？这项技术解决了什么问题，会对人类社会带来哪些影响呢？

“啁啾”（音同周纠）本身是拟声词，用来形容鸟叫声。如果仔细聆听，你会发现一段时间内的鸟叫声是在紧促和舒缓之间变化着的。用物理语言来描述，就是声音的频率随着时间而变化，这种现象就叫作啁啾效应。啁啾脉冲放大技术就是利用啁啾效应产生高强度超短光学脉冲的方法。

1960年，世界上第一台激光器诞生。后来，科学家们又发明出调Q和锁模技术，将激光的持续时间缩短到纳秒（一亿分之一秒）、皮秒（一千亿分之一秒）乃至飞秒（一百万亿分之一秒）。与此同时，激光晶体的生长加工工艺也不断发展，激光的能量提升至焦耳甚至千焦耳量级。激光发明10年后，其峰值功率已经超过一吉瓦（一亿瓦）。

一个难题是，作为激光放大器的核心元件，激光晶体单位面积可以承受的峰值功率是有限的。激光峰值功率过高，就会恶化激光质量并造成晶体损毁，因此人们需要控制激光晶体负载的单位面积的峰值功率。而方法只有两种，要么继续增加激光晶体的尺寸，要么增加激光的持续时间。

随着技术的发展，激光晶体的尺寸虽有所增加，但增加幅度有限，并没有达到数量级上的突破。增加激光的持续时间虽然可以使能量增加，但无法带来峰值功率的提升。上世纪70年代至80年代前期，激光峰值功率的提升十分缓慢。

1985年，激光技术终于迎来突破。当时还在读博士的唐娜·斯特里克兰在其导师杰哈·莫罗的指导下，创造性地发明出啁啾脉冲放大技术。她先将待放大激光的持续时间伸长，以降低其峰值功率，然后再注入到激光晶体中放大。放大后的激光通过压缩器就可以将脉冲持续时间压缩至最短，由此获得了高能量、短持续时间、高峰值功率的激光。

这项技术的核心思想是用时间换空间，即绕开激光晶体空间尺寸的限制，利用啁啾效应，引入频率调制实现激光持续时间的伸缩，将晶体损伤风险转嫁给后面的压缩器。所幸压缩器的空间尺寸可以做到远大于激光晶体。由于激光持续时间的伸缩比率可达百万，因此激光的峰值功率亦能提升上百万倍。

时至今日，采用啁啾脉冲放大技术获得的高强度激光，已经得到广泛应用。高强度、短持续时间的激光，可以轻松切碎人体生物组织。比如在医学上，可用于治疗近视。此外，这种激光还可以精密切割、打孔，孔径可达微米量级，且边缘齐整无毛刺。它还可以将电子加速到接近光速，高速电子产生的次级光源可以探测人体蛋白质的复杂结构。如果繼续增加强度，激光甚至可以撕裂真空，帮助人类探索宇宙的终极奥秘。