近期，諾貝爾物理學獎授予發(fā)明光學鑷子的美國物理學家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin），以及開創(chuàng)了啁啾脈沖放大技術的唐娜·斯特里克蘭（Donna Strickland）、 熱拉爾·穆魯（Gérard Mourou）?！斑泵}沖放大技術”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，已經在工業(yè)及醫(yī)療領域發(fā)揮了重要作用。2002年，熱拉爾·穆魯曾為《科學美國人》撰文，深度解讀啁啾脈沖放大技術。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器件。兩千年以后，研究人員把反射鏡與量子力學結合起來，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傳送出的能量，它不僅與能量的大小有關，也與發(fā)送能量的時間長短有關。因此，我們可以通過另一種方法來產生超高功率，那就是在極短的時間內釋放出適當的能量。按現今超快激光器所達到的水平來衡量，Nova通常產生的脈沖是相當長的（3納秒），而產生每個脈沖需要數千焦耳的能量。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的相互作用可以產生只有在恒星內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億美元，因此它們將有助于讓“高級科學”回歸普通的大學實驗室，而研究資金有限的國家也可以涉足這一領域的研究。在世界各地，這種激光器已經用于物理學若干分支的研究工作，其中包括核物理學、天體物理學、高能粒子物理學以及廣義相對論等。

　　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改進已達到10^9瓦的功率。再后的20年中沒有出現多大進展，臺式激光器的最大功率基本上在原地徘徊。當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，將使激光器元件產生有害的非線性效應，影響光束質量，甚至損壞元件。Mourou（本文作者之一）所領導的研究小組推出了一項名為“啁啾調頻脈沖放大”（Chirped Pulse Amplification）的技術以后，這一光學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“啁啾調頻”（Chirping）就是把它在時間上拉長。在通過啁啾調頻放大脈沖時，第一步是用振蕩器產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。然后就可以用標準的激光放大方法來放大這個脈沖。最后一步則是用一臺結實的裝置（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，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技術使我們有可能利用傳統(tǒng)的激光放大器而又不會導致非線性光學效應的出現。

　　完善CPA技術并不象說起來那樣簡單。用來拉長或壓縮脈沖的標準器件一般并不能使脈沖實現完全線性的拉長或壓縮；如果啁啾調頻裝置和脈沖壓縮裝置的特性不能高度匹配，那么這一過程將產生非常糟糕的結果。

　　過去幾年中，由于矯正光學器件的發(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90年代所取得的這些進展使研究光與物質間相互作用——屬于“相對論光學”（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。

　　相對論光學

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

　　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中傳播，從而決定了物質的光學特性。

　　古典光學認為，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，此時相對論效應從根本上改變了電子對光的響應。

　　首先，速度越高，電子的質量就越大，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。只有當電荷在運動時，磁場才會對電荷產生作用力。在古典光學的范圍內，磁力可以忽略不計。但是當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。這一效應在相對論光學中起著核心作用。

　　質子的質量幾乎為電子質量的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?？梢院雎圆挥嫛５钱敼獾膹姸茸銐蚋邥r，它也會使質子以相對論的速度運動。這時可能發(fā)生許多核反應過程（如聚變反應），因此我們不妨稱這研究領域為核光學（nuclear optics）。