近期，諾貝爾物理學(xué)獎授予發(fā)明光學(xué)鑷子的美國物理學(xué)家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin），以及開創(chuàng)了啁啾脈沖放大技術(shù)的唐娜·斯特里克蘭（Donna Strickland）、 熱拉爾·穆魯（Gérard Mourou）?！斑泵}沖放大技術(shù)”在此之前可能并不為公眾所熟知。但事實上，這項名稱怪異的技術(shù)，已經(jīng)在工業(yè)及醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。2002年，熱拉爾·穆魯曾為《科學(xué)美國人》撰文，深度解讀啁啾脈沖放大技術(shù)。以下為全文翻譯：

　　熱拉爾·穆魯（Gérard Mourou）熱拉爾·穆魯（Gérard Mourou）

　　人類自有文明起，就夢想能獲得強光。傳說公元212年，阿基米德曾用一面巨大的反射鏡將陽光聚焦，點燃了集結(jié)在敘拉古的羅馬戰(zhàn)船而使敵人葬身火海。雖然這個故事只是神話，但另一位希臘人Diocles的發(fā)明卻是真的。公元前200年，他制作了一個拋物面反射鏡，這可算得上人類歷史上第一種理想的聚焦光學(xué)器件。兩千年以后，研究人員把反射鏡與量子力學(xué)結(jié)合起來，獲得了一種無所不能的高強度光源——激光。

　　一臺名叫Nova（新星）的激光器于1985年在美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室投入運行，一直工作到l999年，現(xiàn)在它已成為大功率激光器的象征。這臺激光器因其亮度堪與爆炸后的恒星亮度相媲美而得名，它是迄今為止功率最大的激光器之一。l0臺并排放置的激光放大器占據(jù)了500多平方米大的空間；反射鏡用重達180多公斤的玻璃塊制成，它把光束引向目標(biāo)來進行核聚變和其它各種實驗。為避免機器過熱，Nova每天只開動幾次。很明顯，為了達到極高的功率，它不得不聚集大量的能量。

　　但是要記住功率是單位時間內(nèi)傳送出的能量，它不僅與能量的大小有關(guān)，也與發(fā)送能量的時間長短有關(guān)。因此，我們可以通過另一種方法來產(chǎn)生超高功率，那就是在極短的時間內(nèi)釋放出適當(dāng)?shù)哪芰?。按現(xiàn)今超快激光器所達到的水平來衡量，Nova通常產(chǎn)生的脈沖是相當(dāng)長的（3納秒），而產(chǎn)生每個脈沖需要數(shù)千焦耳的能量。一種新型的激光器小得可以安裝在桌面上，但它產(chǎn)生的功率卻與Nova不相上下，其奧妙就在于它使用的脈沖僅為Nova的萬分之一。例如，假定一臺超高功率激光器的每個脈沖只有區(qū)區(qū)1焦耳的能量，但脈沖持續(xù)時間卻短至l00飛秒（1飛秒為10^-15秒），那么它的功率便可達到10萬億瓦，比全世界所有發(fā)電站的總發(fā)電量還大。

　　這類小型激光器每天可點燃1億次，并可以把它們發(fā)出的能量集中在只有1微米的小點上，從而產(chǎn)生出地球上強度最高的光。這樣大的功率同時也形成了地球上最強的電場，其大小為每厘米1萬億伏左右。這種高強度激光與物質(zhì)的相互作用可以產(chǎn)生只有在恒星內(nèi)核或黑洞附近才能觀察到的極端物理條件，包括極高的溫度（10^10開氏度），極強的磁場（10^9高斯）和極大的粒子加速度（相當(dāng)于地球上重力加速度的10^25倍）。

　　這類激光器的造價僅為l00萬美元而非人們所想的數(shù)億美元，因此它們將有助于讓“高級科學(xué)”回歸普通的大學(xué)實驗室，而研究資金有限的國家也可以涉足這一領(lǐng)域的研究。在世界各地，這種激光器已經(jīng)用于物理學(xué)若干分支的研究工作，其中包括核物理學(xué)、天體物理學(xué)、高能粒子物理學(xué)以及廣義相對論等。

　　絕技逞威

　　激光器是在1960年問世的。其后的5年間，臺式激光器通過一系列的技術(shù)改進已達到10^9瓦的功率。再后的20年中沒有出現(xiàn)多大進展，臺式激光器的最大功率基本上在原地徘徊。當(dāng)時提高激光器功率的唯一辦法就是研制出更大的激光器。如果使激光器超出極限光強度的范圍以外，將使激光器元件產(chǎn)生有害的非線性效應(yīng)，影響光束質(zhì)量，甚至損壞元件。Mourou（本文作者之一）所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組推出了一項名為“啁啾調(diào)頻脈沖放大”（Chirped Pulse Amplification）的技術(shù)以后，這一光學(xué)破壞問題才得以解決。臺式激光器的輸出功率因此而猛增了10^3到l0^5倍。

　　對一個信號或波進行“啁啾調(diào)頻”（Chirping）就是把它在時間上拉長。在通過啁啾調(diào)頻放大脈沖時，第一步是用振蕩器產(chǎn)生一個短脈沖并把它拉長，通常拉長10^3到10^5倍。這一過程使脈沖的強度下降了同樣的倍數(shù)。然后就可以用標(biāo)準(zhǔn)的激光放大方法來放大這個脈沖。最后一步則是用一臺結(jié)實的裝置（如真空中的一對衍射光柵）將脈沖重新壓縮回它原先的長度，這樣就使它的功率大大提高，超出放大器功率極限的10^3到10^5倍。我們來看一個典型的例子。最初的種子脈沖其長度為l00飛秒，能量為0.2納焦耳。我們把它拉長10^4倍，使其長度變?yōu)?納秒（其功率則從大約2千瓦降低到0.2瓦）。然后把它放大10個數(shù)量級，這樣它的能量就增加到2焦耳，功率增加到2千瓦。把這個脈沖的長度重新壓縮到100飛秒，就使功率增加到20萬億瓦。如果沒有這項技術(shù)，讓最初那個功率為2千瓦的脈沖穿過臺式放大器很可能導(dǎo)致放大器被毀，除非我們把放大器的橫截面積擴大10^4倍，并讓光束分散到整個橫截面上。CPA技術(shù)使我們有可能利用傳統(tǒng)的激光放大器而又不會導(dǎo)致非線性光學(xué)效應(yīng)的出現(xiàn)。

　　完善CPA技術(shù)并不象說起來那樣簡單。用來拉長或壓縮脈沖的標(biāo)準(zhǔn)器件一般并不能使脈沖實現(xiàn)完全線性的拉長或壓縮；如果啁啾調(diào)頻裝置和脈沖壓縮裝置的特性不能高度匹配，那么這一過程將產(chǎn)生非常糟糕的結(jié)果。

　　過去幾年中，由于矯正光學(xué)器件的發(fā)展使激光束能夠被聚焦成尺寸小得多的光斑，光強度有了進一步提高。這一進展以及脈沖壓縮技術(shù)的持續(xù)改進使脈沖強度已提高到給定光能量下所能達到的最大強度。

　　激光的功率與強度在20世紀(jì)90年代所取得的這些進展使研究光與物質(zhì)間相互作用——屬于“相對論光學(xué)”（relativistic optics）研究的范疇——居于統(tǒng)治地位。發(fā)生這類相互作用時光把電子加速到接近光速。在CPA技術(shù)問世之前，這類相互作用只有使用非常龐大和昂貴的激光系統(tǒng)才能實現(xiàn)。

　　相對論光學(xué)

　　光學(xué)是研究電子對光的反應(yīng)。這一定義聽起來可能與許多人心目中的光學(xué)相距甚遠，例如光被鏡面反射或受到游泳池水的折射。但任何一種物質(zhì)的光學(xué)特性都與光如何與該物質(zhì)中的電子相互作用有關(guān)。

　　光是耦合電磁場以極高頻率同步振蕩時所形成的一種波。電場與磁場振蕩的方向互相垂直，并且與光波行進的方向垂直。當(dāng)電子與具有通常功率的光波相遇時，光波的電場便對電子施加一個作用力，使它振蕩起來。電子的振蕩方向與電場方向平行，振蕩的頻率則與光波頻率相同，但它的振蕩不一定與光波相同。電子的振蕩可能落在光波后面，也可能超前，這要看電子是如何束縛在物質(zhì)的原子上。反過來，電子振蕩的幅度和相位也決定了光波如何在物質(zhì)中傳播，從而決定了物質(zhì)的光學(xué)特性。

　　古典光學(xué)認為，電子的振蕩幅度很小，因此電子的振蕩速度與光速相比始終是非常小的。然而，隨著激光強度增加到每平方厘米10^18瓦以上，電子的振蕩速度開始接近光速，此時相對論效應(yīng)從根本上改變了電子對光的響應(yīng)。

　　首先，速度越高，電子的質(zhì)量就越大，這使電子振蕩的振幅和相位均受到影響。更重要的是，光波的磁場也開始發(fā)揮作用。只有當(dāng)電荷在運動時，磁場才會對電荷產(chǎn)生作用力。在古典光學(xué)的范圍內(nèi)，磁力可以忽略不計。但是當(dāng)電子的振蕩速度接近光速時，磁場就會使電子的運動路徑彎曲成螺旋形，并使電子在沿光束行進的方向上獲得巨大的動量。這一效應(yīng)在相對論光學(xué)中起著核心作用。

　　質(zhì)子的質(zhì)量幾乎為電子質(zhì)量的2000倍，這樣它在與光波相遇時振幅也比電子小得多，因此光與原子核的相互作用通?？梢院雎圆挥?。但是當(dāng)光的強度足夠高時，它也會使質(zhì)子以相對論的速度運動。這時可能發(fā)生許多核反應(yīng)過程（如聚變反應(yīng)），因此我們不妨稱這研究領(lǐng)域為核光學(xué)（nuclear optics）。