中科院魏志義詳解：今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)是怎樣的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)？
導(dǎo)讀：2018年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予給了激光物理領(lǐng)域，由三位科學(xué)家分享，其中法國(guó)科學(xué)家Gérard Mourou和加拿大科學(xué)家Donna Strickland因“他們產(chǎn)生高強(qiáng)度、超短光脈沖的方法”共同分享了1/2的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。那么，他們的發(fā)現(xiàn)到底是什么？有什么重要意義？《知識(shí)分子》邀請(qǐng)中科院物理研究所研究員魏志義進(jìn)行詳細(xì)解讀。魏志義，中科院物理研究所研究員，主要研究領(lǐng)域?yàn)槌坛瑥?qiáng)激光物理與技術(shù)，包括飛秒激光放大的新原理與新技術(shù)、阿秒激光物理與技術(shù)、光學(xué)頻率梳及應(yīng)用等。
解讀 | 魏志義
采訪 | 蔣海宇
今年諾貝爾物理獎(jiǎng)的成果授予一項(xiàng)稱之為“啁啾脈沖放大”的技術(shù)，簡(jiǎn)稱CPA。該技術(shù)最早出現(xiàn)在雷達(dá)技術(shù)中，用于微波的放大。1985年，時(shí)在美國(guó)羅切斯特大學(xué)的Mourou和Strickland將技術(shù)改進(jìn)后，用于超短脈沖激光的放大，從而使得激光的峰值功率得到了突飛猛進(jìn)的提升。此前，人們所能得到的激光最高強(qiáng)度受激光元器件的限制：強(qiáng)度過(guò)高后，激光器元件會(huì)被打壞，無(wú)法繼續(xù)工作。因此激光的功率和強(qiáng)度提升緩慢，進(jìn)入瓶頸。CPA技術(shù)提出以后，使得激光的功率和強(qiáng)度迅速增長(zhǎng)。在不到十年的時(shí)間里，人們所能得到的激光強(qiáng)度提高了6到7個(gè)量級(jí)。
當(dāng)時(shí)，Strickland在羅切斯特大學(xué)做博士后，Mourou是她的導(dǎo)師。他們的工作發(fā)表在一個(gè)并不是特別出名的一個(gè)雜志-Optics Communication上。第一作者是Strickland。盡管雜志不出名，但由于論文的重要意義，很快就引起了激光界的廣泛重視，許多實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始使用此技術(shù)進(jìn)行超短脈沖激光能量的放大。
追求更高的激光強(qiáng)度，是激光研究者最重要的使命之一。CPA的發(fā)明與實(shí)施，促進(jìn)了激光強(qiáng)度的突破性進(jìn)展：這項(xiàng)技術(shù)從發(fā)明到現(xiàn)在已經(jīng)33年，卻依然是非常熱門(mén)、非常前沿的激光研究工作之一，并持續(xù)推進(jìn)著激光向更高的強(qiáng)度提高。目前最高強(qiáng)度的激光，就是用這個(gè)技術(shù)生產(chǎn)的。毋庸置疑，它引領(lǐng)了激光技術(shù)發(fā)展的前沿。
激光強(qiáng)度的提高帶來(lái)了很多前所未有的應(yīng)用，使以前無(wú)法開(kāi)展的工作得以開(kāi)展，以前不存在的應(yīng)用得以開(kāi)展，包括精密加工、激光醫(yī)療、超快現(xiàn)象等，比如在激光加工中，利用CPA技術(shù)產(chǎn)生的超快激光可以高質(zhì)量的切割手機(jī)屏幕、修復(fù)集成電路元件等。在醫(yī)療中，可以用來(lái)治療近視眼、白內(nèi)障、光學(xué)斷層掃描成像（OCT）。
其實(shí)，CPA技術(shù)最強(qiáng)大和挑戰(zhàn)性的應(yīng)用是激光物理。利用超短超強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用，可以快速的將電子電離，產(chǎn)生遠(yuǎn)高于原子內(nèi)場(chǎng)的超高電場(chǎng)，并形成極高的瞬態(tài)磁場(chǎng)、加速梯度、等離子體密度等，并產(chǎn)生中子，驅(qū)動(dòng)核反應(yīng)。
以前的激光因?yàn)閺?qiáng)度不夠，所以只能產(chǎn)生有限的電離子體?，F(xiàn)在激光能夠產(chǎn)生很強(qiáng)的等離子體，創(chuàng)造極端的物理?xiàng)l件，將質(zhì)子、電子加速到MeV、GeV的能量，推動(dòng)了激光與許多前沿物理學(xué)科的交叉，在基礎(chǔ)物理、核物理、高能物理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，可以是CPA技術(shù)是推動(dòng)物理學(xué)前沿發(fā)展的重要推手。
實(shí)際上，1999年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)、2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)也是與超快超強(qiáng)激光緊密相關(guān)的成果。激光作為人類(lèi)文明歷史上最重要的發(fā)明之一，迄今已產(chǎn)生多項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)，如華裔科學(xué)家中，朱棣文因?yàn)榧す饫鋮s獲得諾貝爾獎(jiǎng)，現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室所能得到的最低溫度就是利用激光冷卻產(chǎn)生的。高錕因?yàn)楣饫w的發(fā)明使用獲得諾貝爾獎(jiǎng)，目前已改變了我們的生活方式，成為造福人類(lèi)的重要貢獻(xiàn)。
