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高强度超短激光脉冲
施郁
研究物质中的快速过程，需要短脉冲激光。为了获得短脉冲激光，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泽韦尔（Ahmed Zewail）。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。再放大则容易导致放大器损坏，除非增大光束半径以降低强度，而这代价高、重复率低。
1985年，当时在光学重镇罗切斯特大学的穆鲁和他的学生斯特里克兰发明了啁啾脉冲放大（CPA）技术。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信方面的研究。”穆鲁现任法国巴黎综合理工学院教授，斯特里克兰现任加拿大滑铁卢大学副教授。
2013年，斯特里克兰作为美国光学会主席给朱棣文颁发奖章（来源：Optical Society of America）
CPA技术首先将超短激光脉冲在时间上拉长几个数量级，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，已经放大过的功率峰值随之变得非常高。“啁啾（chirp）”本来是指鸟鸣声，后来用来指脉冲信号中频率随时间单调增加或下降。
虽然看上去简单，但是穆鲁和斯特里克兰经过几年的努力才使设想成为现实。他们最初的方法如下：先将纳焦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。
后来穆鲁研究组又取得了进一步进展，于1986年产生了1太瓦（10^12瓦）的激光。再后来，他们又采用别人提出的“以一对衍射光栅取代光纤来拉长脉冲”的方法。1988年，穆鲁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*跃进大**。
后来别的研究组提出基于CPA的新技术，例如能产生更高强度的光学参数CPA。基于钕玻璃的激光可以产生1焦/皮秒的脉冲，基于掺钛蓝宝石的激光可以得到100飞秒的短脉冲。拍瓦（10^15瓦）脉冲于1999年在劳伦斯·利弗摩尔国家实验室产生。
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，例如穆鲁推动的欧洲合作的极端光设施（Extreme Light Infrastructure）在捷克的分部将有10拍瓦的激光，强度预期可以达到10^23瓦/平方厘米。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、高温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。
穆鲁2010年参与的极端光设施的宣传片，引起对他的争议（来源：theguardian.com）
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CPA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，这提供了新的加速器原理。
CPA技术还产生适用于工业和医疗的超短激光，特别是对精密度有高要求的情况。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。约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（laser-assisted in situ keratomileusis，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。
引用本文的方式
施郁. 激光成就梦想，科学，2019，71（1）: 1-4.
排版丨刀刀