>科技>>正文

2018诺贝尔物理学奖——以激光缔造奇迹(下)

原标题:2018诺贝尔物理学奖——以激光缔造奇迹(下)

[他们的新技术为科研和一些产业发展提供了全新视角,在物理、化学以及医学等领域都得到了应用,科研人员有机会一窥分子和原子世界中发生了什么]

□蔡丽君

啁啾脉冲放大技术是什么

研究物质中的快速过程,需要短脉冲的激光。为了获得短脉冲的激光,人们用过各种方法(比如所谓的Q开关、锁模、染料激光器)。由于激光脉冲达到了分子中原子运动的时间尺度,所以被用于研究化学反应,1999年的诺贝尔化学奖因此授予艾哈迈德·泽维尔(AhmedZewail)。但是,在这些方法中,脉冲的功率峰值并没有增加很多,只能将锁模振荡器出来的纳焦脉冲放大100万倍到毫焦。人们所能得到的激光最高强度受激光元器件的限制:强度过高后,激光器元件会被打坏,无法继续工作。除非增大光束半径以降低强度,而这代价高、重复率低。因此,激光的功率和强度提升缓慢,进入瓶颈。

1985年,当时在光学重镇罗切斯特大学的莫罗和他的学生斯特里克兰发明了啁啾脉冲放大(简称CPA)技术,用于超短脉冲激光的放大,从而使得激光的峰值功率得到了突飞猛进的提升。他们的研究成果发表在一个并不是特别出名的杂志上,第一作者是斯特里克兰。尽管杂志不出名,但由于论文的重要意义,很快就引起了激光界的广泛重视,许多实验室开始使用此技术进行超短脉冲激光能量的放大,使得激光的功率和强度迅速增长。在不到十年的时间里,人们所能得到的激光强度提高了6到7个量级。

“啁啾”(chirp)本来是指鸟的叫声在不同时刻有不同的频率,后来用来指脉冲信号中频率随时间单调增加或下降。诺贝尔奖官方材料特别指出:“他们从雷达技术得到启发,正如汤斯发明maser时受益于他在雷达方面的经验和光通讯方面的研究。”

啁啾脉冲放大的技术要点如下:首先将超短激光脉冲在时间上拉长几个数量级,所以功率峰值相应地下降几个数量级,然后在激光材料中安全地放大,最后在时间上压缩回原来的长度,这样就能获得一个时间非常短、强度非常高的脉冲。

这个理论看上去虽然简单,但是莫罗和斯特里克兰经过几年的努力才使设想成为现实。他们最初先将纳焦耳脉冲与单模光纤耦合,拉长到300皮秒,脉冲在光纤中啁啾化,频率随时间而增大,叫做上啁啾;然后将啁啾信号放大;最后,长的啁啾脉冲被双栅压缩器压到2皮秒,能量达到1毫焦。后来研究组又取得了进一步进展,于1986年产生了1太(1012)瓦的激光。再后来,光纤被一对衍射光栅取代,以拉长脉冲。1988年,莫罗研究组实现了从纳焦到焦耳的9个数量级的放大。这导致光脉冲强度的大跃进。

后来别的研究组提出基于啁啾脉冲放大的新技术,例如能产生更高强度的所谓光学参数啁啾脉冲放大。基于钕玻璃的激光可以产生1皮秒1焦耳的脉冲,基于掺钛蓝宝石的激光可以得到100飞秒的短脉冲。拍瓦脉冲于1999年在劳伦斯·利福摩尔国家实验室产生(1拍瓦=1000太瓦)。

现在全世界至少有几十台运行或建造中的拍瓦激光器。还有更高功率的激光在计划中,例如莫罗推动的欧洲合作的极端光设施(ExtremeLight Infrastructure)在捷克的分部将有10拍瓦的激光。这些装置可以用来研究一些极端物态,如辐射主导的物质、高压量子物质、致密物质与超相对论等离子体。这些领域属于高能量密度物理,对于天体物理和惯性约束聚变都很重要。

造价较低的桌面太瓦激光可以用于研究强场物理、阿秒科学、激光等离子体加速,等等。基于啁啾脉冲放大的飞秒激光可以用来研究强激光中的物理。在原子物理的强场区,光场强度能将原子电离化而产生动能很大的电子。阿秒激光可以探测原子分子和凝聚态中电子的动力学。高强度的激光还可以产生等离子波,在1厘米距离中将电子加速到10亿电子伏特,这提供了新的加速器原理。

啁啾脉冲放大技术还产生适用于工业和医疗的超短激光,能够精准地在不同材料上实现切割和钻孔。比如用超短激光脉冲在媒质(如光盘)中刻录信息。医学上,用激光脉冲制作手术定位板、加强血管及身体中其他通道用的微米金属圆柱体,等等。大概120纳焦的飞秒激光还用于近视和散光的屈光手术。在激光原位角膜磨削术(LASIK)中,为了让准分子激光能到达并改变角膜基质,需要用飞秒激光产生角膜瓣。而在某个一体化飞秒激光方案中,不需要产生角膜瓣,而只需要产生一个4毫米或更小的切口,然后移除光切割的小透镜层,改变角膜形状,修正屈光。

啁啾脉冲放大技术的发明与实施,实现了激光强度的突破性进展:这项技术从发明到现在已经33年,依然是非常热门、非常前沿的激光研究工作之一,并持续推进着激光向更高的强度提高。目前最高强度的激光,就是用这个技术生产的。得益于啁啾脉冲放大技术,科研人员有机会一窥微观且快速变化的分子和原子世界中发生了什么。毋庸置疑,它引领了激光技术发展的前沿。

次要人物效应

斯特里克兰研究啁啾脉冲放大技术的时候还是研究生,在她身上尤为体现了诺贝尔奖得主的“次要人物”效应。

她的获奖让我想起,1974年,安东尼·休伊什(AnthonyHewish)因为脉冲星的发现分享了当年的诺贝尔物理学奖,而做出关键贡献的女研究生乔瑟琳·贝尔(Jocelyn Bell)无缘诺奖。这件事在当时就被诟病,受到广泛关注。这也使得诺贝尔奖评选委员会从此小心对待师生合作的情况。按照诺贝尔奖的评定标准,诺贝尔奖是奖给某一项研究成果的。根据这个原则,研究人员只要在诺奖委员会认为值得获得诺奖的某一项研究成果中,做出足够重要的贡献,就可以也应该获诺贝尔奖,而与其他学术贡献与学术水平无关。

在斯特里克兰身上体现的“次要人物”效应还表现在,她一生似乎只有这一项拿得出手的研究成果,而且是因一个谁都可能做得出来的偶然实验结果获益终身。这个实验就是啁啾脉冲放大技术。斯特里克兰的导师是莫罗,莫罗的另一位学生和科研助理是史蒂芬·威廉姆斯。有一天,威廉姆斯好奇地向莫罗提出一个问题:如果光纤和放大器换个顺序会是什么结果?但问完问题后,威廉姆斯就回家了。回家后,威廉姆斯从妻子那里得知,导师莫罗打来电话,说威廉姆斯的问题很好,启发了他。由于威廉姆斯已经回家,莫罗就让实验室里还在“加班”的女学生去做一下这个实验,这位女学生就是斯特里克兰。结果做出来后,莫罗和斯特里克兰作为指导者和实验者把这一结果发表在《光学通信》(OpticsCommunication)杂志上。除了这个实验和这篇文章,斯特里克兰再也没有做过其他重要的研究和发现,当然她也因这项研究而当选过美国光学学会主席。

斯特里克兰的“次要人物”效应还体现在她和导师发表实验结果的《光学通信》杂志。这个杂志的影响因子实在太低,大约只有1.0,甚至连博士为了毕业发表论文也可能不愿意发表在这样的杂志上。尽管有一系列的“次要人物”效应和现象,斯特里克兰还是获得了诺贝尔物理学奖。这也说明,“次要人物”效应只是一种表面现象,科学界奖励的依然是有突出贡献的研究。

(作者单位为美国旧金山州立大学物理系)返回搜狐,查看更多

责任编辑:

声明:该文观点仅代表作者本人,搜狐号系信息发布平台,搜狐仅提供信息存储空间服务。
阅读 ()
投诉
免费获取
今日推荐