瑞典皇家科學院發(fā)布的新聞材料中啁啾脈沖放大的插圖
2018年諾貝爾物理學獎用來表彰“在激光物理領(lǐng)域的突破性發(fā)明”。不過，這實際上是兩個半獎項:一個獎給亞瑟阿什金，因為他發(fā)明了利用激光移動小物體的“光鑷”;另一個獎給杰拉德穆盧和唐娜斯特里克蘭，因為他們發(fā)明了制造超短、超強激光脈沖的技術(shù)。這兩篇文章都非常值得被授予諾貝爾獎，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度和減少脈沖的持續(xù)時間。在各種各樣的技術(shù)中扮演著重要角色,需要高強度的光，從眼科手術(shù)激光加速帶電粒子的工具到非?？斓墓饷}沖，如最近的實驗觀察從分子中敲出一個電子需要多長時間。這種對其他科學的支持正是諾貝爾獎應該認可和支持的，所以我認為這是一個很好的獎項選擇。
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物理學的一個核心事實，即制造一個持續(xù)時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)避了過高強度會損壞用于放大激光脈沖的晶體這一事實所帶來的限制。
但是為什么短脈沖需要很寬的頻率范圍呢?你可以通過觀察當你開始加入頻率略有不同的光脈沖時會發(fā)生什么來看到這一點。下圖顯示了底部的一個單頻波，其上面的組合頻率分別為2、3和5。
增加多個頻率以形成一系列窄脈沖。
當增加第二個頻率時，單個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不同頻率相互抵消的區(qū)域所分隔。對于任何嘗試過為兩種相似樂器調(diào)音的人來說，這都是一個熟悉的現(xiàn)象:當他們試圖演奏同一種樂器，但調(diào)音不太一致時，你會聽到一種刺激的脈沖音，當你調(diào)音時，這種脈沖音會變慢。
當你增加更多的頻率時，一般的拍結(jié)構(gòu)仍然存在，但是具有明顯波動特性的區(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，就會得到一系列窄脈沖，在這些脈沖中，你會看到強烈的波活動，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。轟擊其中一個鈦:晶體在兩個鏡子之間，泵入一些能量到系統(tǒng)中，你可以得到一個“鎖?！奔す馄?，在這個激光器中，一束不同頻率的光的存在會導致短脈沖的光，每個脈沖包含一個范圍廣泛的頻率。
超短激光脈沖的兩幅互補圖:強度與頻率的關(guān)系，以及強度與時間的關(guān)系。
如果你想制造一個真正強烈的超短激光脈沖，你很快就會遇到一個問題，那就是任何一個放大器晶體只能承受這么多。當光的強度變大時，材料就會被損壞，這就限制了你使用這些激光器的能力。
這個問題似乎是無法克服的，如果你認為脈沖只是在強度對時間的意義上，你觀察強度與頻率的關(guān)系，你就會發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生脈沖的各個頻率本身都沒有足夠的強度來產(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頻率。
不管怎樣，你最終得到的是一個更長的激光脈沖，其中高頻光先到達，而低頻光在一段時間后才散去。這被稱為“啁啾脈沖”，因為鳥的啁啾具有相同的頻率結(jié)構(gòu):開始時頻率高，結(jié)束時頻率低(反之亦然)。
啁啾脈沖可以讓你得到更長的持續(xù)時間，但更重要的是，它分散了強度，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頻率的強度，這樣就會得到一個更強但更長的脈沖。然后你就扭轉(zhuǎn)鳴叫過程,使用一對衍射光柵,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到達,但是強度增加好多倍。
小心地使用這種技術(shù)可以讓你的飛秒脈沖的持續(xù)時間與瘋狂的強度——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，用語言來說比在實驗室里做要容易，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這項技術(shù)，這項技術(shù)在物理學甚至醫(yī)學上都有應用。因此，他們理應獲得諾貝爾獎。
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