唐娜·斯特里克兰：高强度激光辟蹊径

2018-12-25王江山

知识就是力量 2018年12期

王江山

与科学结缘的童年

1959年5月27日，唐娜·斯特里克兰出生在加拿大安大略省圭尔夫，这是一个大学城，距离多伦多只有一个小时的车程。她的父亲是电气工程师，母亲是英语老师。当唐娜还是个孩子的时候，父母曾带她去参观安大略科学中心。父亲特意带她去看博物馆里巨大的激光器，希望能引起她的兴趣。而多年以后，虽然唐娜已经不能确切回忆起那次旅行，但毫无疑问，科学中心里的一切在她幼小的心里埋下了一颗科学的种子。父亲带她看过的那座巨大的激光器，也许已经暗示了她未来的职业方向。

长大后，唐娜决定选择理工科作为终身职业，她被安大略省汉密尔顿市的麦克马斯特大学录取了。可在选择专业时，她却犯了难：是选择有更多工作机会的电气工程（这也意味着她能进入父亲的行业）还是选择自己更感兴趣的物理呢？

幸运的是，麦克马斯特大学的一门混合学科—工程物理—将她从左右为难中解救了出来。这在当时算是个很新的学科，也被认为是男性的领域，全班25个同学中只有3名女性。当年轻的唐娜发现工程物理的主要研究领域是光电和激光时，忍不住感叹：“天哪，听起来真酷！”

唐娜虽是女孩，她的父亲却总是鼓励她不断进取，不被传统的性别刻板印象所困。她读研究生时，加拿大开启了太空计划，父亲甚至认真地问过她是否想成为一名宇航员。但是唐娜拒绝了这个建议，她并非没有探索太空的勇敢，只不过她擅长的事情在其他方面：数学与科学。对学术的渴望使得她决心获得博士学位，施展抱负。后来唐娜如愿进入罗切斯特大学攻读博士学位，师从著名学者杰拉德·穆卢，而她的传奇故事，也将从这里开始。

如“鸟鸣”的激光

唐娜在激光能量学的相关实验室开始进行博士研究。那时激光作为一种科学研究的重要工具，吸引了许多人的目光。可是这个领域一直有个难题：激光能量虽然有限，但当它在极短的时间尺度上释放的时候，就会产生非常强大的能量。激光的能量越高，脉冲宽度越短，峰值功率就越高。当激光脉冲的最大强度达到1GW/cm2时，因为峰值功率过强，用来产生这种脉冲的放大器本身就会遭到损坏，这样一来，人们就无法很好地利用高强度激光了。

唐娜和她的导师杰拉德决心开发一种可以提高激光脉冲峰值功率的实验装置，来克服这种限制。他们的思路是这样的：先将一段短的激光脉冲在时间上拉长，在降低能量密度的情況下放大，放大后再将每个脉冲压缩回原来的持续时间，以此来产生太瓦强度的超短光脉冲。而当脉冲被拉长之后，峰值功率就会大幅下降，这样一来，人们就能得到能量更强、更稳定可控的脉冲，却不会破坏放大器了。

杰拉德让唐娜进行相关的实验，他们将实验成果发表在当时一个并不是特别出名的期刊《光学通讯》（Optics Communication）上，唐娜是第一作者。她那时也许做梦都不会想到，自己在博士期间做的这项工作，竟然会在多年后获得诺贝尔物理学奖。

这种脉冲前沿与后沿的频率不同，就像鸟的鸣叫一般，大多时候是前面低、后面高，啁啾鸟鸣，高低婉转，所以人们形象地将这种技术称为“激光啁啾脉冲放大技术”（Chirped Pulse Amplification，简称CPA）。

这项技术在后来得到了广泛的应用，直到现在，仍然是物理学的前沿领域。师生二人的工作使得激光的应用突破了瓶颈，在不破坏元器件的前提下大大提高了激光强度，很多以前受困于这个问题的工作都可以开展了。它十分“接地气”，在许多领域（如眼科手术、激光加工、能源应用等）中，这项技术都大显身手;它也很“高大上”，如能用来研究质子和电子的性质，推进高能物理与核物理的进步等。

“激光运动员”

从1988年到1991年，唐娜一直是加拿大国家研究委员会的一名助理研究员，那里有当时世界上最强大的短脉冲激光器，她致力于开发用于非线性光学研究的高强度激光系统。她喜欢把自己描述成一个“激光运动员”，她曾这样对记者说：“我认为，这是因为我们认为自己对此很在行。作为一名实验研究员，你不仅需要了解物理学，还必须能做出一些实际的工作。而在那些日子里，对激光的研究工作是非常繁琐的。”

1997年，唐娜收到了滑铁卢大学的offer，后来她成了那里的超快激光研究小组的领导者，致力于创造出人们从未见过的激光：她准备将超快光学科学的边界推进到新的波长范围（如中红外和紫外），其中包括基于多频拉曼光谱的超短脉冲的产生和基于双色光纤激光系统的中红外激光的产生;她的研究范畴还拓展到了医学界—研究高功率激光在人眼微晶状体中的作用，在此过程中可以对眼球晶体进行微加工，这样就有希望治愈老花眼。

唐娜认为，自己和她的前辈—同样获得诺贝尔物理学奖的女性科学家玛丽·居里和玛丽亚·格佩特-迈耶不同，她在职业生涯中一直都得到了平等的对待：与男同事同工同酬，也获得同样多的机会。唐娜认为，自己能获得诺贝尔奖，正是时代进步的象征。