10月2日,2018年的诺贝尔物理学奖授予了Arthur Ashkin、Gérard Mourou和Donna Strickland,以表彰他们在激光物理领域的突破性发明。其中,Arthur Ashkin的卓越贡献是发明了光镊并把它应用在生物系统中,Gérard Mourou和Donna Strickland因发明产生超短超强激光脉冲的啁啾脉冲放大技术而获奖。
啁啾脉冲放大,即CPA技术,可以说它的发明革命性地推动了激光强度的进展,使人们所能得到的激光强度在不到10年的时间里,提高了6-7个数量级,并由此带来了许多应用学科的发展及出现,如化学、生物学、物理学等学科中的超快动力学研究、特殊材料的精密加工、超快电子衍射等。可以说从CPA发明以来,就成为了最具有学科创新能力的手段之一。
随着激光强度的不断超快提高,科学家们利用CPA技术,能够在实验室实现瞬态的超强电场、超强磁场、超高加速梯度、超高等离子体密度、超高压强等一系列极端物理现象,开创并促进了强场物理、原子分子物理、加速器物理、核物理、天体物理、粒子物理等学科与激光的交叉和发展。
CPA的基本原理是:采用持续时间仅为皮秒(万亿分之一秒)或飞秒(千分之一飞秒,也就是千万亿分之一秒)量级的脉冲激光做种子的激光放大技术,这种种子脉冲也称之为超短或超快激光。如果将激光直接放大,由于激光介质的饱和效应及高强度引起的元器件损坏,将会遭遇不可逾越的瓶颈问题。
CPA技术巧妙地先将利用展宽器将种子脉冲展宽数千甚至数万倍,从而大大降低了激光峰值功率,这样在随后的放大中,激光能量能够安全地得到放大提高。最后当激光能量放大到一定的结果后,采用与展宽器色散相反的压缩器,放大激光的脉冲被压缩回与种子脉冲接近的持续时间。我们知道激光的峰值功率是能量与持续时间的比值,这样由于放大能量及压缩脉宽的双重作用,激光的峰值功率就得到大大提高了。
CPA技术的发明,突破了提高激光强度的瓶颈,自此全世界许多实验室开展起了基于该技术的超快超强激光研究,新的进展及突破层出不穷,并也开发出相应的激光新产品,促成了一些专业公司的创立,为许多应用研究提供了重要的手段。
国内在超快激光技术领域具有较强的基础,CPA发明后仅仅几年时间,中科院西安光机所、天津大学等单位在侯洵院士领衔的“攀登计划”支持下,就开展了该技术的实验研究。
近年来,中科院物理研究所、上海光机所及中国工程物理研究院等单位在科技部、863及基金委等部门的支持下,经过多年系统深入的研究,相继取得了突破世界纪录的结果。如上海光机所去年取得的10PW的峰值功率,是目前基于CPA技术所见报导的最高峰值功率,我国科学家取得的相关成果,已在国际上形成重要影响,也极大地提高了我国在该领域的国际地位。
本次诺奖的获得者Gérard Mourou教授也曾先后多次访问中科院西安光机所、物理研究所、上海光机所、上海交通大学等单位并做学术报告。
30多年来,CPA技术引发的超短超强激光研究正在蓬勃发展,目前国际上不仅有多台正在建设中的10PW级超短超强激光装置,而且欧盟及俄罗斯还在规划200PW装置的建设。
这些装置建成后,可望得到近1024-25W/cm2的超高强度,开展更加激动人心的物理研究工作:如许多相对论下的物理问题及核爆及恒星中心才有的物理现象。实际上,1999年诺贝尔化学奖、2005年诺贝尔物理学奖也是与这一领域相关的成果,人们预测未来在超快超强激光领域,还会产生新的诺贝尔奖。