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2018年诺贝尔物理学奖:啁啾脉冲放大是个什么技术

时间:2019-06-03 点击量: 177

北京时间10月2日17时50分许,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布,将2018年诺贝尔物理学奖授予美国科学家Arthur Ashkin、法国科学家Gérard Mourou、加拿大科学家Donna Strickland(女),以表彰他们“在激光物理领域的突破性发明”。他们将获得金质奖章、证书,并分享900万瑞典克朗(约合人民币696万元)的奖金。这次诺贝尔物理学家还创造了一个新纪录:时隔55年后,女性终于迎来118年史上第三次获得诺贝尔物理奖。历史上曾有两名女性获得诺贝尔物理学奖。其中,玛丽·居里(Marie Curie)两度获得诺贝尔奖。1903年,居里夫妇和贝克勒尔由于对放射性的研究而共同获得诺贝尔物理学奖。1911年,居里夫人因发现元素钋和镭再次获得诺贝尔化学奖,成为世界上第一个两获诺贝尔奖的人。

美国光学学会(OSA,Optical Society of America)名誉成员,曾在贝尔实验室和朗讯科技公司(Lucent Technologies)任职。他在20世纪60年代后期开始了用激光操纵微粒的工作,这导致了1986年光学镊子的发明。他还开创了光学俘获过程,最终用于操纵原子,分子和生物细胞。人生充满着各种梦想,如果你不努力追求自己的梦想,你就会被别人纳入追求他的梦想。

1944年6月22日生于法国,是法国电气工程和激光领域的先驱,他与他的学生唐娜·斯特里克兰(Donna Strickland)一起,共同发明了一种称为“啁啾脉冲放大”(Chirped Pulse Amplification,CPA)的技术。这种技术使得短激光脉冲(大约10-15秒)能以极高的峰值功率(相当于太瓦,1012瓦)进行应用。这一技术彻底改变了激光科学领域,在物理学的不同分支中发展了新的应用,包括核物理和粒子物理学;同时也适用于医学领域,在眼睛和白内障的屈光手术方面同样取得了新的进展。

加拿大滑铁卢大学副教授,她1981年在安大略省汉密尔顿麦克马斯特大学工程物理学士,1989年在纽约罗切斯特罗彻斯特大学物理学(光学)博士。她的超快激光组开发了用于非线性光学研究的高强度激光系统。她正在研究多频拉曼生成(MRG)的非线性光学技术、用于中红外发生的双色光纤激光系统,以及自聚焦和多光子电离对晶状体内微腔泡形成的作用。唐娜·斯特里克兰也是第三位获得诺贝尔物理学奖的女科学家。

今年诺贝尔物理学奖颁给“由光制成的工具”,旨在表彰激光物理学的2项发明,一个涉及连续的单色激光器,而另一个与脉冲激光器有关。而这两项发明都与一项被称为“啁啾脉冲放大”(CPA)的技术有关。

啁啾(音zhōu jiū)一词,在汉语中最初是形容鸟叫的声音。出自唐代诗人王维诗句:到大啁啾解游颺,各自东西南北飞。物理学概念中的啁啾,是指对脉冲进行编码时,其载频在脉冲持续时间内线性地增加,当将脉冲变到音频时,会发出一种声音,听起来像鸟叫声,所以物理学家给取了一个非常诗意的名字——“啁啾”。

啁啾放大技术的原理是放大前分散激光种子脉冲的能量,放大后再集中。这个技术可以使激光功率提高1000倍到TW级,并得以从此稳步提高。此次获奖的主要成果啁啾脉冲放大(CPA技术)的产生,就是源自对更高激光脉冲峰值功率的不断探索。该技术的原理是利用展宽器(例如衍射光栅、棱镜等色散器件)在初始脉冲进入增益介质之前将其展宽:脉冲中低频成分走的路径要比高频成分要短(正啁啾),脉冲在时间上被拉宽,峰值功率得到降低。展宽器的色散量越大,脉冲被拉宽的程度越高,峰值功率降低越多;随后,展宽脉冲进入增益介质进行放大,由于脉冲已被展宽,可以提取更多的能量而不致使增益介质发生损伤;最后,放大脉冲进入压缩器(色散器件),压缩器的色散与展宽器的色散极性相反,此时放大脉冲中的啁啾可被部分或全部补偿,放大脉冲被压缩设定脉宽(甚至是傅里叶变换极限脉宽),脉冲峰值功率便能得到极大的提高。峰值功率的提高受激光增益介质损伤阈值的限制,为了突破109W瓶颈,人们寻求损伤阈值更高的增益介质,然而效果均不理想,激光峰值功率始终徘徊在1012W量级。1985年,Rochester大学的Gerard Mourou与Donna Strickland将雷达中的CPA概念引入到激光领域,改变了这一现状,为脉冲峰值功率的进一步提高奠定了基础。

2018年度诺贝尔物理学奖选择颁给激光物理学领域,也可以说预示着光的时代正在加速到来。