诺奖深度解读:激光物理技术,为什么要用鸟叫命名?

作者: 常国庆

来源: 科学大院

发布日期: 2018-10-03

2018年诺贝尔物理学奖授予了Arthur Ashkin的光镊技术和Gérard Mourou、Donna Strickland的啁啾脉冲放大技术,这两项技术尽管相互之间没有多大关联,但它们开启了多个崭新的学科,为人类认识世界提供了前所未有的强大工具。光镊技术利用激光光束操控微观粒子和微小物体,而啁啾脉冲放大技术则通过展宽、放大和压缩脉冲,产生峰值功率极高的超短光脉冲,推动了超强超快激光的发展。

2018年的诺贝尔物理学奖于中国时间10月2日揭晓,Arthur Ashkin 因为发明光镊技术(Optical Tweezer),独享一半奖金;Gérard Mourou 和 Donna Strickland 因为发明啁啾脉冲放大技术(Chirped Pulse Amplification),分享另一半奖金。自从激光在1960年被发明之后,与激光有直接关系的诺贝尔奖有几十项之多。

今年的物理学奖奖励的确实是两项相互之间没有多大关联的激光技术,这两项技术的背后并无多少深刻物理可言,但它们开启了多个崭新的学科,为人类认识世界提供了前所未有的强大工具,尽管出乎很多人的预料,但的确实至名归。

Arthur Ashkin发明了光镊技术,也就是利用激光光束,像镊子一样去“夹”起微观粒子(原子、分子等)和微小物体(比如细胞、病毒等)。这背后的原理可以借助动量这一概念来理解。

光具有粒子性,自然也具有动量。当照射在镜面上的光被镜子反射时,光的动量发生改变,从而对镜子产生一个压力(推力),这种压力也被称为辐射压力。光对被照射的物体施加辐射压力这一概念,最早由德国数学家和天文学家开普勒在1619年提出。1871年,电磁学集大成者麦克斯韦在理论上预言了辐射压力现象。

1970年,在贝尔实验室工作的Ashkin发明了这种光镊技术,随即被广泛应用于生物学研究,用于操作生物大分子或者细胞等,开辟了许多崭新的领域。

Gerard Mourou和 Donna Strickland因发明啁啾脉冲放大技术而平分另外一半的诺贝尔奖。这项技术关注的是如何通过不断的放大从而提高一个超短脉冲的峰值功率。

1985年,Gerard Mourou和 Donna Strickland通过发明啁啾脉放大技术有效地解决了这一问题。具体是如何解决呢?一个激光脉冲的频谱包括不同的频率分量,不同地频率分量在物质中传输地速度不同,因而脉冲会在传输过程中逐渐变宽。

Gerard Mourou和 Donna Strickland让该脉冲在一段很长的光纤中传播,从而将脉冲展宽为原来宽度的100多倍,相应的脉冲峰值功率也降低了100多倍。然后,将该被展宽的脉冲进行放大,便可以有效抑制非线性效应;放大之后,再利用一个压缩器将脉冲压缩回原来的宽度。这样,通过展宽-放大-压缩就可以得到峰值功率极高的超短光脉冲,也从而诞生了超强超快激光这一研究领域。

这项技术有一个非常形象的名字—啁啾(读作“zhōu jiū”)脉冲放大。被放大之前的脉冲经过光纤展宽后,由于不同频率成分传输速度不一样,导致脉冲的瞬时频率会随着时间变化。啁啾是形容鸟叫的声音,如果仔细听,就会发现鸟叫的声音频率也会随时间变化,先低后高。在超快光学中,啁啾已经成为一个异常重要的物理术语。啁啾脉冲放大技术正大放异彩。自问世后,啁啾脉冲放大技术已经成为产生超强超短脉冲激光必须采用的技术。

欧盟正在建设中的未来国际上最强的激光装置——ELI装置,其输出的超短脉冲可望具有200PW的峰值功率,经过聚焦后有望得到近1024-25 W/cm2超高强度,这将开启崭新的物理研究,揭示极端条件下的物理规律。我国在超快超强激光具有非常扎实的基础,已经取得了一批国际领先的成果。

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