新科诺奖得主亲笔深度解：什么是啁啾脉冲放大技术？

　　来源：环球科学

　　2018年10月2日，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：

　　撰文| Gerard A.Mourou，DonaldUmstadter

　　翻译| 郭凯声

　　审校 | 赵辉


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）。

　　在1毫米之内从0加速到60MeV

　　超强激光束所产生的具有相对论效应的力量最明显的用途就是使粒子加速。带电粒子加速器的用途不胜枚举，从电视显像管到癌症治疗乃至研究宇宙的基本力等等，均可见到它的身影。所有这些加速器都有一个共同特点，即电子或质子之类的粒子是通过电场或磁场来加速的。古典光学范畴内的光波其电场强度可以达到闪电雷击的电场强度，但这些电场本身并不能有效地加速粒子，因为它们是横向振荡的。相较之下，超强度脉冲的情况则是当这样的脉冲撞上等离子体（即电子和正离子组成的一种气体）时，它就如我们上面所阐述的那样把电子向前加速到接近光速。

　　然而好戏还在后头。等离子体中的正离子比电子重几千倍，因此电子向前加速时就把正离子抛在了后面。正负电荷的分离产生出一个强大的电场，可用来加速其它的粒子。强电场区紧跟在光脉冲的后面，以波的形式穿越等离子体。带电粒子在激光的尾波场中被加速达到很高的能量，就像海豚紧跟在轮船后面与船尾水波的波动节奏同步地游动从而获取能量一样。这样一种激光尾波场加速器的设想是当时在洛杉矶加利福尼亚大学的Toshiki Tajima和John M.Dawson于l979年首次提出来的。

　　把光脉冲的振荡电场转换为始终指向一个方向的尾波场的过程称为整流（rectification），因为它的原理与电子器件中把交流电（AC）转换为直流电（DC）的整流器相似。传统的加速器，例如长达3公里的斯坦福直线加速器中心（SLAC），利用金属空腔对无线电波整流，从而把带电粒子沿着束流方向一脚接一脚地“踢”下去。（与光波一样，无线电波也是电磁波，但其频率比光波低得多，波长则要长得多）。斯坦福直线加速器必须有3公里长才能达到其预定的粒子能量，因为每一空腔的加速电场有限。使用波长更短、强度更大的射频波，可以增强加速场，但是这两方面的性质受到空腔本身的限制：空腔的大小限制了无线电波的波长，而无线电波强度过高则可能引起金属空腔壁的电子击穿（发火花）。激光尾波场加速器不使用空腔，因此可以避免这些问题。使用强度最高的光脉冲，粒子或许可以被直线加速，这时它的加速方式与光束产生相对论效应电子的过程是一样的，无须靠等离子体来帮忙。

　　过去几年中，激光驱动的电子与质子加速器已产生出能量超过50兆电子伏（MeV）的粒子束。此能量与传统加速器中的一级（几米长）所达到的加速能量相等。但激光系统只需仅仅l毫米的长度就达到了此能量。

　　利用高梯度场迅速实现加速具有若干优点。例如Umstadter（本文作者之一）演示了能量为几兆电子伏的电子束，它的“亮度”（实际上就是束中粒子的集中度）超过了传统加速器生成的粒子束的亮度，这主要是因为集中在一个粒子束脉冲中的电荷由于粒子加速较快而来不及通过其自身的静电力作用使粒子束散开。此外，研究人员还证明，成本低廉的激光加速器和传统加速器一样有着广泛的用途。例如生产医疗诊断用的短寿命放射性同位素以及生成材料研究用的中子和正电子束等。

　　不过，激光系统所产生的粒子束其粒子能量分布范围比较宽，这对于某些应用场合是一个不利条件。此外，传统的加速器通常把多个加速级串联在一起，例如SLAC的3公里长的直线对撞机以及费米实验室Tevatron加速器周长7公里的主环便是如此。当前激光加速系统研究工作的重点是缩小粒子束能量分布范围并实现多级加速以增加粒子束的能量。研究人员也在探索如何利用波导来延长尾波场使粒子持续加速的距离。

　　高能研究前沿

　　我们认为激光加速器不会取代高能粒子物理研究机构使用的传统加速器（如Tevatron）。激光加速器只是补充并增强现有的加速系统，它们的特点使其适用于一些特殊的场合以及新型的实验。加速不稳定粒子可能就属于这样一种情况。

　　Tevatron加速器代表了现今高能物理研究的最前沿：它使质子以1万亿电子伏（TeV）的能量相对撞。继TeVatron之后的下一代加速器是欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC），它也以质子为加速对象。质子间的高能对撞是非常复杂和混乱的，因为质子由夸克和胶子一类强相互作用粒子构成。电子和正电子具有比质子更为基本的结构，因此它们的对撞所产生的结果比质子对撞要“干净”得多，这样研究人员就可以对它进行更为详细和精确的研究。但是加速电子和正电子会遇到一个问题：电子和正电子质量太轻，因此它们在延着环形加速器的弯曲段运动时，会损失很大一部分能量而变成所谓的“同步辐射”（Synchrotron―radiation）。

　　解决这个问题的办法之一是加速μ介子，μ介子的质量为电子质量的200倍，所以它的同步辐射损失的能量比电子低10亿倍。遗憾的是μ介子是一类不稳定的粒子，平均两微秒多一点就要衰变。虽然μ介子寿命极短，瞬息即逝，但高强度激光器可以在其寿命稍纵即消逝的极短瞬间就把μ介子加速到非常接近光速。此时相对论效应的时间膨胀将发挥作用，使μ介子的寿命与其所达到的能量正比地延长，这样传统的加速器就将有更多的时间接着对μ介子进行考察。对于π介子这样寿命更短的粒子（π介子平均在26毫微秒内就会衰变）用激光对其迅速加速的好处将更为明显。

　　借助于超高能激光器而得以实现的另一类粒子物理实验是伽玛光子对撞（γ―γ collider）。伽玛射线在电磁波谱上位于X射线以外，是极高频光子。高能激光束与高能电子束碰撞时将产生一束狭窄的伽玛射线。实质上就是激光的光子通过所谓的“康普顿散射”过程从电子上反射回来。伽玛射线的能量主要取决于电子束的能量：能量为250千兆电子伏（GeV）的电子束可以使光子的能量从l电子伏（可见光）增加到200千兆电子伏。

　　当两束这样的伽玛射线相撞时，它们的相互作用比“电子一正电子”对撞或“介子一反介子”对撞还要干净。这样一种碰撞过程与物质一反物质湮灭过程恰恰相反。湮灭过程是正反粒子合并在一起，变成一束辐射，而伽玛射线的碰撞过程则是它们的光子在相撞后变为成对的粒子与反粒子。但是，只有使用超高强度的激光器，每一光脉冲内才有足够数量的光子来产生相当多的伽玛光子碰撞。1997年，美国罗彻斯特大学、普林斯顿大学、田纳西大学及SLAC中心的研究人员演示了此系统的一个变种，即通过伽玛射线与激光光子的相撞而产生出电子一正电子对。目前每一台直线粒子对撞机都计划进行伽玛光子对撞实验，这类实验对于通过一般的“电子一正电子”碰撞而完成的实验研究起着取长补短、相辅相成的作用。

　　癌症的诊断与治疗

　　激光驱动的带电粒子加速器能产生具有高度穿透力的辐射（如X射线或粒子束），这样的辐射也可以用于癌症的诊断与治疗。当然，X射线在医学诊断中充当重要角色已有百余年的历史。传统的X射线管通过在阴极和阳极之间产生的一个电场对电子进行加速，电子在撞上阳极后就急剧减速，释放出大量的X射线。X射线的分辨率受到X射线源大小的限制（此处的X射线源就是阳极，其直径通常为100微米）。传统的X射线机能够探查出的最小肿瘤直径约为1毫米。

　　超高强度激光器可以将激光直接聚焦于一个合适的金属靶上以产生X射线。激光束将金属表面附近的电子加速到高能量。这些电子在穿过金属靶时就减速，同样发射出大量的X射线。将激光聚焦于直径只有几毫米的点上，就得到一个极小的X射线源。它能探查到非常小的癌细胞群，这样就可以在肿瘤发展的极早阶段对其进行治疗。原则上使用激光加速器可以达到1微米的分辨率（1微米仅比驱动激光的波长大一点）。斯坦福大学、瑞典伦德大学以及加拿大魁北克国家科学研究院的研究小组已经演示了这样的X射线系统。

　　精确度对于放射治疗而言非常重要。放射治疗的目标是尽量把辐射集中在肿瘤上，同时尽量减少辐射对周围健康组织的损伤。对人体敏感部位（如脑或脊椎）中的肿瘤进行治疗时，能否把剂量可控的辐射投放在明确界定的极小区域上具有至关重要的意义。质子和碳离子之类的粒子特别适合承担这样的任务。与电子和光子不同，这些重粒子在成束以后的横向散射非常微弱，因此可以始终保持狭窄的形状。它们在其行进途中能量损失速率非常低，而且十分稳定，因此可以把其绝大部分的能量释放在其路径的终点。对于具有给定初始能量的重粒子，其能量的最终释放发生在组织内的某一确定区域中。因此，在需要把一定剂量的辐射释放到深层肿瘤上时，这类重粒子的精确度远胜过电子与光子。

　　使用质子和碳离子束的临床试验目前正在几个国家展开。然而，广泛利用粒子治疗方法还存在许多障碍，其中之一就是传统粒子加速器的造价太高。例如，日本千叶县的医用重离子加速器（heavy ionm edical acce―lerator）造价高达3亿美元。它每年只能治疗200名左右的癌症患者，用这种疗法能够挽救的患者人数寥寥无几。目前激光驱动加速器所能达到的离子能量只占放疗所需能量的五分之一，而且辐射面积过大。但是，如果这两个问题能够得到解决，癌症的离子放射疗法成本就可以大大降低，而相应使用这种疗法的患者人数也就增加了。

　　超高强度激光脉冲的功率相当于全世界所有发电机的功率总和。将来这一关系可能会转过来：这类激光器可能成为核聚变发电厂的基本组成部分，满足全世界用电的部分需求。几十年来，利用可控核聚变技术来发电一直是研究人员梦寐以求的目标，但令人失望的是这一目标始终遥不可及。近几年中开始受到青睐的一种方法是惯性约束聚变（inertial-confinement fusion），即用数十乃至数个强激光脉冲从四面八方同时照射燃料丸（如氢的重同位素氘和氚的混合物）。激光将燃料丸压缩到极高的密度川时将其加热到极高的温度，在这样高的密度和温度下，氘核和氚核将聚合起来而形成氦，并释放出大的能量。劳伦斯利弗莫尔国家实验室的巨型Nova激光器就是为此目标的研究而配置的主要实验设备。

　　台式超高强度激光束所产生的总能量还不够大，无法引起热核聚变。但是如果与Nova级的激光器配合使用，它们就有可能大大提高可控核聚变的经济与技术可行性。通过压缩燃料丸来达到核聚变的点火条件要求内爆过程极其对称。对称性只要有哪怕极微小的一点欠缺，也会使整个过程完全失败，无功而返。劳伦斯利弗莫尔实验室的研究人员现在提出了一种新方法――大型激光器仍然承担把燃料丸压缩到高密度这一繁重任务，但不必同时使其达到完全的点火温度。当燃料丸的密度接近其最大值时，一台小型的超高能量CPA激光器对一个超短离子脉冲加速，使之撞到内爆的燃料丸上。这一脉冲所起的作用类似于汽车发动机中火花塞的作用：脉冲在燃料丸上产生一个极其炽热的点，它引起的聚变波瞬间就传遍了整个燃料丸。这种方法将会减轻单靠内爆点燃聚变所提出的高难度技术要求，并且它也会大大提高聚变产生的能量与消耗的能量之比。

　　英国牛津郡卢瑟福艾普尔顿实验室以及日本大坂大学实验室的研究人员不久前演示了快速点火技术的某些基本内容。但正如聚变研究史上提出的任何一种新方法一样，此技术也需要再进行大量的后续研究才能证明它是否具备用于商业发电的实际价值。无论这一特定的用途是否会成为传奇的素材，超高强度激光的发展前景必定引人入胜，绚丽多彩，远远超出阿基米德与Diocles最大胆的梦想。