瑞典皇家科學(xué)院發(fā)布的新聞材料中啁啾脈沖放大的插圖2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)用來表彰“在激光物理領(lǐng)域的突破性發(fā)明”。不過，這實(shí)際上是兩個(gè)半獎(jiǎng)項(xiàng):一個(gè)獎(jiǎng)給亞瑟阿什金，因?yàn)樗l(fā)明了利用激光移動(dòng)小物體的“光鑷”;另一個(gè)獎(jiǎng)給杰拉德穆盧和唐娜斯特里克蘭，因?yàn)樗麄儼l(fā)明了制造超短、超強(qiáng)激光脈沖的技術(shù)。這兩篇文章都非常值得被授予諾貝爾獎(jiǎng)，但它們之間并沒有那么緊密的聯(lián)系。
穆盧和斯特里克蘭所做的是開發(fā)一種方法來提高脈沖激光的強(qiáng)度和減少脈沖的持續(xù)時(shí)間。在各種各樣的技術(shù)中扮演著重要角色,需要高強(qiáng)度的光，從眼科手術(shù)激光加速帶電粒子的工具到非常快的光脈沖，如最近的實(shí)驗(yàn)觀察從分子中敲出一個(gè)電子需要多長時(shí)間。這種對(duì)其他科學(xué)的支持正是諾貝爾獎(jiǎng)應(yīng)該認(rèn)可和支持的，所以我認(rèn)為這是一個(gè)很好的獎(jiǎng)項(xiàng)選擇。
穆盧和斯特里克蘭發(fā)明了一種被稱為“啁啾脈沖放大”的技術(shù)，這種技術(shù)很大程度上依賴于波動(dòng)物理學(xué)的一個(gè)核心事實(shí)，即制造一個(gè)持續(xù)時(shí)間短的脈沖需要在頻率上廣泛傳播(反之亦然)。他們以一種巧妙的方式利用了這種頻率傳播，從而規(guī)避了過高強(qiáng)度會(huì)損壞用于放大激光脈沖的晶體這一事實(shí)所帶來的限制。
但是為什么短脈沖需要很寬的頻率范圍呢?你可以通過觀察當(dāng)你開始加入頻率略有不同的光脈沖時(shí)會(huì)發(fā)生什么來看到這一點(diǎn)。下圖顯示了底部的一個(gè)單頻波，其上面的組合頻率分別為2、3和5。
增加多個(gè)頻率以形成一系列窄脈沖
當(dāng)增加第二個(gè)頻率時(shí)，單個(gè)平滑波分解成一系列的“拍頻”區(qū)域，在這些區(qū)域中，一些波的行為被兩個(gè)不同頻率相互抵消的區(qū)域所分隔。對(duì)于任何嘗試過為兩種相似樂器調(diào)音的人來說，這都是一個(gè)熟悉的現(xiàn)象:當(dāng)他們?cè)噲D演奏同一種樂器，但調(diào)音不太一致時(shí)，你會(huì)聽到一種刺激的脈沖音，當(dāng)你調(diào)音時(shí)，這種脈沖音會(huì)變慢。
當(dāng)你增加更多的頻率時(shí)，一般的拍結(jié)構(gòu)仍然存在，但是具有明顯波動(dòng)特性的區(qū)域的寬度變得更小。這是一種與波有關(guān)的非常普遍的現(xiàn)象，適用于任何具有波性的東西:聲波、光波，甚至與量子力學(xué)粒子有關(guān)的物質(zhì)波。如果你把許多頻率略有不同的波疊加在一起，就會(huì)得到一系列窄脈沖，在這些脈沖中，你會(huì)看到強(qiáng)烈的波活動(dòng)，而在這些窄脈沖中，相隔的區(qū)域卻不大。
你可以利用這些物理原理很容易地制造出脈沖激光器，只要找到一種增益介質(zhì)就可以將光放大到更大的頻率范圍。其中一種常見的介質(zhì)是鑲嵌在藍(lán)寶石晶體中的鈦原子，它可以讓你放大從可見光譜到一大片近紅外光譜范圍內(nèi)的光。轟擊其中一個(gè)鈦:晶體在兩個(gè)鏡子之間，泵入一些能量到系統(tǒng)中，你可以得到一個(gè)“鎖模”激光器，在這個(gè)激光器中，一束不同頻率的光的存在會(huì)導(dǎo)致短脈沖的光，每個(gè)脈沖包含一個(gè)范圍廣泛的頻率。
超短激光脈沖的兩幅互補(bǔ)圖:強(qiáng)度與頻率的關(guān)系，以及強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系。如果你想制造一個(gè)真正強(qiáng)烈的超短激光脈沖，你很快就會(huì)遇到一個(gè)問題，那就是任何一個(gè)放大器晶體只能承受這么多。當(dāng)光的強(qiáng)度變大時(shí)，材料就會(huì)被損壞，這就限制了你使用這些激光器的能力。
這個(gè)問題似乎是無法克服的，如果你認(rèn)為脈沖只是在強(qiáng)度對(duì)時(shí)間的意義上，你觀察強(qiáng)度與頻率的關(guān)系，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生脈沖的各個(gè)頻率本身都沒有足夠的強(qiáng)度來產(chǎn)生問題。所以，穆盧和斯特里克蘭想出的竅門是把它們分離出來，所以放大器一次只需要處理幾個(gè)頻率。
不管怎樣，你最終得到的是一個(gè)更長的激光脈沖，其中高頻光先到達(dá)，而低頻光在一段時(shí)間后才散去。這被稱為“啁啾脈沖”，因?yàn)轼B的啁啾具有相同的頻率結(jié)構(gòu):開始時(shí)頻率高，結(jié)束時(shí)頻率低(反之亦然)。
啁啾脈沖可以讓你得到更長的持續(xù)時(shí)間，但更重要的是，它分散了強(qiáng)度，所以它總是低于放大器的損傷閾值。然后你可以安全地提高脈沖中每個(gè)頻率的強(qiáng)度，這樣就會(huì)得到一個(gè)更強(qiáng)但更長的脈沖。然后你就扭轉(zhuǎn)鳴叫過程,使用一對(duì)衍射光柵,使高頻的前緣略長路徑旅行比低頻的后緣,這樣所有的頻率同時(shí)到達(dá),但是強(qiáng)度增加好多倍。
小心地使用這種技術(shù)可以讓你的飛秒脈沖的持續(xù)時(shí)間與瘋狂的強(qiáng)度——10 ^ 25瓦每平方厘米左右。這些極其激烈的領(lǐng)域可以做各種各樣的暴力和有趣的事情，打開了巨大的可能性。
啁啾脈沖放大是一種非常聰明的技巧，用語言來說比在實(shí)驗(yàn)室里做要容易，所以穆盧和思特里克蘭德能夠使它工作，這令人印象深刻。在演示之后，很多人開始模仿和改進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)在物理學(xué)甚至醫(yī)學(xué)上都有應(yīng)用。因此，他們理應(yīng)獲得諾貝爾獎(jiǎng)。
