近期，诺贝尔物理学奖授予发明光学镊子的美国物理学家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin），以及开创了啁啾脉冲放大技术的唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland）、 热拉尔·穆鲁（Gérard Mourou）。“啁啾脉冲放大技术”在此之前可能并不为公众所熟知。但事实上，这项名称怪异的技术，已经在工业及医疗领域发挥了重要作用。2002年，热拉尔·穆鲁曾为《科学美国人》撰文，深度解读啁啾脉冲放大技术。以下为全文翻译：

　　热拉尔·穆鲁（Gérard Mourou）热拉尔·穆鲁（Gérard Mourou）

　　人类自有文明起，就梦想能获得强光。传说公元212年，阿基米德曾用一面巨大的反射镜将阳光聚焦，点燃了集结在叙拉古的罗马战船而使敌人葬身火海。虽然这个故事只是神话，但另一位希腊人Diocles的发明却是真的。公元前200年，他制作了一个抛物面反射镜，这可算得上人类历史上第一种理想的聚焦光学器件。两千年以后，研究人员把反射镜与量子力学结合起来，获得了一种无所不能的高强度光源——激光。

　　一台名叫Nova（新星）的激光器于1985年在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室投入运行，一直工作到l999年，现在它已成为大功率激光器的象征。这台激光器因其亮度堪与爆炸后的恒星亮度相媲美而得名，它是迄今为止功率最大的激光器之一。l0台并排放置的激光放大器占据了500多平方米大的空间；反射镜用重达180多公斤的玻璃块制成，它把光束引向目标来进行核聚变和其它各种实验。为避免机器过热，Nova每天只开动几次。很明显，为了达到极高的功率，它不得不聚集大量的能量。

　　但是要记住功率是单位时间内传送出的能量，它不仅与能量的大小有关，也与发送能量的时间长短有关。因此，我们可以通过另一种方法来产生超高功率，那就是在极短的时间内释放出适当的能量。按现今超快激光器所达到的水平来衡量，Nova通常产生的脉冲是相当长的（3纳秒），而产生每个脉冲需要数千焦耳的能量。一种新型的激光器小得可以安装在桌面上，但它产生的功率却与Nova不相上下，其奥妙就在于它使用的脉冲仅为Nova的万分之一。例如，假定一台超高功率激光器的每个脉冲只有区区1焦耳的能量，但脉冲持续时间却短至l00飞秒（1飞秒为10^-15秒），那么它的功率便可达到10万亿瓦，比全世界所有发电站的总发电量还大。

　　这类小型激光器每天可点燃1亿次，并可以把它们发出的能量集中在只有1微米的小点上，从而产生出地球上强度最高的光。这样大的功率同时也形成了地球上最强的电场，其大小为每厘米1万亿伏左右。这种高强度激光与物质的相互作用可以产生只有在恒星内核或黑洞附近才能观察到的极端物理条件，包括极高的温度（10^10开氏度），极强的磁场（10^9高斯）和极大的粒子加速度（相当于地球上重力加速度的10^25倍）。

　　这类激光器的造价仅为l00万美元而非人们所想的数亿美元，因此它们将有助于让“高级科学”回归普通的大学实验室，而研究资金有限的国家也可以涉足这一领域的研究。在世界各地，这种激光器已经用于物理学若干分支的研究工作，其中包括核物理学、天体物理学、高能粒子物理学以及广义相对论等。

　　绝技逞威

　　激光器是在1960年问世的。其后的5年间，台式激光器通过一系列的技术改进已达到10^9瓦的功率。再后的20年中没有出现多大进展，台式激光器的最大功率基本上在原地徘徊。当时提高激光器功率的唯一办法就是研制出更大的激光器。如果使激光器超出极限光强度的范围以外，将使激光器元件产生有害的非线性效应，影响光束质量，甚至损坏元件。Mourou（本文作者之一）所领导的研究小组推出了一项名为“啁啾调频脉冲放大”（Chirped Pulse Amplification）的技术以后，这一光学破坏问题才得以解决。台式激光器的输出功率因此而猛增了10^3到l0^5倍。

　　对一个信号或波进行“啁啾调频”（Chirping）就是把它在时间上拉长。在通过啁啾调频放大脉冲时，第一步是用振荡器产生一个短脉冲并把它拉长，通常拉长10^3到10^5倍。这一过程使脉冲的强度下降了同样的倍数。然后就可以用标准的激光放大方法来放大这个脉冲。最后一步则是用一台结实的装置（如真空中的一对衍射光栅）将脉冲重新压缩回它原先的长度，这样就使它的功率大大提高，超出放大器功率极限的10^3到10^5倍。我们来看一个典型的例子。最初的种子脉冲其长度为l00飞秒，能量为0.2纳焦耳。我们把它拉长10^4倍，使其长度变为1纳秒（其功率则从大约2千瓦降低到0.2瓦）。然后把它放大10个数量级，这样它的能量就增加到2焦耳，功率增加到2千瓦。把这个脉冲的长度重新压缩到100飞秒，就使功率增加到20万亿瓦。如果没有这项技术，让最初那个功率为2千瓦的脉冲穿过台式放大器很可能导致放大器被毁，除非我们把放大器的横截面积扩大10^4倍，并让光束分散到整个横截面上。CPA技术使我们有可能利用传统的激光放大器而又不会导致非线性光学效应的出现。

　　完善CPA技术并不象说起来那样简单。用来拉长或压缩脉冲的标准器件一般并不能使脉冲实现完全线性的拉长或压缩；如果啁啾调频装置和脉冲压缩装置的特性不能高度匹配，那么这一过程将产生非常糟糕的结果。

　　过去几年中，由于矫正光学器件的发展使激光束能够被聚焦成尺寸小得多的光斑，光强度有了进一步提高。这一进展以及脉冲压缩技术的持续改进使脉冲强度已提高到给定光能量下所能达到的最大强度。

　　激光的功率与强度在20世纪90年代所取得的这些进展使研究光与物质间相互作用——属于“相对论光学”（relativistic optics）研究的范畴——居于统治地位。发生这类相互作用时光把电子加速到接近光速。在CPA技术问世之前，这类相互作用只有使用非常庞大和昂贵的激光系统才能实现。

　　相对论光学

　　光学是研究电子对光的反应。这一定义听起来可能与许多人心目中的光学相距甚远，例如光被镜面反射或受到游泳池水的折射。但任何一种物质的光学特性都与光如何与该物质中的电子相互作用有关。

　　光是耦合电磁场以极高频率同步振荡时所形成的一种波。电场与磁场振荡的方向互相垂直，并且与光波行进的方向垂直。当电子与具有通常功率的光波相遇时，光波的电场便对电子施加一个作用力，使它振荡起来。电子的振荡方向与电场方向平行，振荡的频率则与光波频率相同，但它的振荡不一定与光波相同。电子的振荡可能落在光波后面，也可能超前，这要看电子是如何束缚在物质的原子上。反过来，电子振荡的幅度和相位也决定了光波如何在物质中传播，从而决定了物质的光学特性。

　　古典光学认为，电子的振荡幅度很小，因此电子的振荡速度与光速相比始终是非常小的。然而，随着激光强度增加到每平方厘米10^18瓦以上，电子的振荡速度开始接近光速，此时相对论效应从根本上改变了电子对光的响应。

　　首先，速度越高，电子的质量就越大，这使电子振荡的振幅和相位均受到影响。更重要的是，光波的磁场也开始发挥作用。只有当电荷在运动时，磁场才会对电荷产生作用力。在古典光学的范围内，磁力可以忽略不计。但是当电子的振荡速度接近光速时，磁场就会使电子的运动路径弯曲成螺旋形，并使电子在沿光束行进的方向上获得巨大的动量。这一效应在相对论光学中起着核心作用。

　　质子的质量几乎为电子质量的2000倍，这样它在与光波相遇时振幅也比电子小得多，因此光与原子核的相互作用通常可以忽略不计。但是当光的强度足够高时，它也会使质子以相对论的速度运动。这时可能发生许多核反应过程（如聚变反应），因此我们不妨称这研究领域为核光学（nuclear optics）。