第一篇：1989年諾貝爾物理學(xué)獎——原子鐘和離子捕集技術(shù)

1989年諾貝爾物理學(xué)獎——原子鐘和離子捕集技術(shù)

1989年諾貝爾物理學(xué)獎——原子鐘和離子捕集技術(shù)

1989年諾貝爾物理學(xué)獎的一半授予美國馬薩諸塞州坎伯利基哈佛大學(xué)的拉姆齊（Norman F.Ramscy，1915—），以表彰他發(fā)明了分離振蕩場方法及用之于氫微波激射器及其它原子鐘；另一半授予美國西雅圖市華盛頓大學(xué)的德默爾特（Hans G.Dehmelt，1922—）與德國波恩大學(xué)的保羅（Wolfgang Paul，1913—1993），以表彰他們發(fā)展了離子捕集技術(shù)。

1989年三位諾貝爾物理學(xué)獎獲得者都是在原子物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面作出過杰出貢獻(xiàn)的物理學(xué)家，他們創(chuàng)造性地發(fā)展了精確的計(jì)量方法，大大改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)的技術(shù)條件，使許多以前無法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn)，并達(dá)到前所未有的精確程度。由于他們的工作，科學(xué)界有可能對一些基本物理定律進(jìn)行更深入的檢驗(yàn)，從而提高了人類認(rèn)識物質(zhì)世界的能力。

拉姆齊在1950年提出分離振蕩場方法，解決了原子鐘設(shè)計(jì)里的關(guān)鍵問題，創(chuàng)制了銫原子鐘。1960年又提出并建造了原子氫微波激射器。也就是氫原子鐘，使計(jì)時的不確定度下降到1×10-12。保羅1951年設(shè)計(jì)了由六個磁極構(gòu)成的聚焦磁場，可以使中性分子聚集，對分子束研究極為有用。后來他又設(shè)計(jì)了一種射頻四極電場，能夠把帶電粒子囚禁在電場中，這一電場就相當(dāng)于一個捕捉粒子的陷阱。這項(xiàng)工作成為以后帶電粒子存儲技術(shù)的先驅(qū)。德默爾特1958年就開始研究用電磁場形成的陷阱把電子或其它帶電粒子存儲在隔絕狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)方法。他和合作者不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)裝置，歷經(jīng)二、三十年，終于在80年代取得了重大成果。他設(shè)計(jì)的離子陷阱實(shí)驗(yàn)裝置，可以把單個自由電子長期地（幾天或幾周，甚至更長）存儲在所謂的彭寧（Penning）陷阱里，讓它作受迫運(yùn)動，并不斷從電子的運(yùn)動提取有關(guān)電子特性的各種訊息。他的小組測到的電子g因子，比別的方法精確得多，達(dá)到了十三位數(shù)字，是基本物理常數(shù)中最精確的一個。

值得一指的是，這三位杰出的物理學(xué)家，他們的工作都與原子束方法有淵源關(guān)系，都曾長期在這個領(lǐng)域作過許多工作，有所發(fā)現(xiàn)和發(fā)明。德默爾特早在1949年就因受到核磁共振發(fā)現(xiàn)的激勵，發(fā)現(xiàn)了核四極共振（簡稱NQR）。拉姆齊在導(dǎo)師拉比（I.I.Rabi）的指導(dǎo)下，1940年第一個對分子的旋轉(zhuǎn)磁矩進(jìn)行過精確測量，并首次觀測到這類磁矩隨核的質(zhì)量變化的關(guān)系。這時他還不過是正在做博士論文的研究生，顯示出了驚人的才干。后來他受聘留在哥倫比亞大學(xué)任教，并從事研究原子束共振。1947年轉(zhuǎn)哈佛大學(xué)，在那里他發(fā)明了銫原子鐘。

說起銫原子鐘的發(fā)明，這里有一段引人深思的軼事。

早在1940年，拉比就預(yù)料到銫133的超精細(xì)結(jié)構(gòu)有可能作為頻率測量的基準(zhǔn)。拉姆齊記得當(dāng)時在拉比小組中就討論過這個問題。他們打算用這一躍遷測引力紅移①條件尚未成熟，這一建議只好束之高閣。第二次世界大戰(zhàn)中由于雷達(dá)的廣泛應(yīng)用，微波電子學(xué)有了長足發(fā)展，用感應(yīng)法和吸收法相繼發(fā)現(xiàn)了核磁共振，人們認(rèn)識到，263 1989年諾貝爾物理學(xué)獎——原子鐘和離子捕集技術(shù)

用原子鐘來計(jì)時的日程已經(jīng)不遠(yuǎn)了。

原子束實(shí)驗(yàn)裝置素以結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備龐大著稱，因?yàn)樗刃杓訜幔中璩楦哒婵眨€要有強(qiáng)大的射頻場和特殊要求的磁場，使分子束或原子束發(fā)射、聚焦、選態(tài)、激發(fā)和檢測。怎樣才能簡化這些設(shè)備呢？這是使物理學(xué)家大傷腦筋的問題。特別是為了減小譜線寬度，還必須采取某些特殊的措施，這使事情更復(fù)雜化。根據(jù)理論分析，得知譜線寬度與振蕩場區(qū)的長度成反比。這個振蕩場區(qū)要求保持均勻的微波場和磁場。振蕩場區(qū)的長度越長，譜線寬度就越窄，頻率測量的精度就越高。但是，實(shí)踐的結(jié)果并不盡如人意。振蕩場區(qū)加長，又會遇到新的問題，射程長了，原子束的強(qiáng)度大減，而且難以保證磁場均勻，所以加大長度，譜線反而增寬。

拉姆齊和大家一樣，也在為這個問題作各種探討。他當(dāng)時正在哈佛大學(xué)上物理光學(xué)課，正當(dāng)他百思不得其解之際，邁克耳孫的測星干涉儀的設(shè)計(jì)思想啟發(fā)他找到了一條絕妙的辦法。邁克耳孫的測星干涉儀是20世紀(jì)20年代初頗引人注目的一項(xiàng)工作，他在加州威耳遜山天文臺的 100英寸（2.54 m）天文望遠(yuǎn)鏡上加了兩道反射鏡，形成兩翼，相距6m，利用兩翼的光束互相干涉，用以測星體的角直徑，結(jié)果把望遠(yuǎn)鏡的角分辨率加大了幾十倍，從而第一次測出了星體的角直徑，解決了過去用望遠(yuǎn)鏡一直無法解決的問題。相距6m的反射鏡相當(dāng)于把望遠(yuǎn)鏡的口徑加大為6m，實(shí)際上即使做成這樣龐大的望遠(yuǎn)鏡，也可能無法保證干涉條紋的清晰度。后來，邁克耳孫的設(shè)計(jì)方案被人們寫進(jìn)了教科書，拉姆齊在教光學(xué)課時當(dāng)然會碰到這個問題。

拉姆齊想，可不可以也用類似的辦法來改造原子束的振蕩場呢？經(jīng)過推算，證明在振蕩場兩端用兩條狹窄的振蕩區(qū)即可代替整個振蕩場，只要兩端的驅(qū)動微波同位相，整個場的不均勻性就不會影響共振曲線的寬度，反而可以使寬度窄40%。

這一設(shè)計(jì)思想立即使銫原子鐘的制造獲得了成功的希望。1952年第一臺應(yīng)用分離振蕩場方法的銫原子鐘在美國國家標(biāo)準(zhǔn)局問世，頻率寬度比原來的方法小了10倍。接著，英國的國家物理實(shí)驗(yàn)所也于1955年得到了精確的結(jié)果，三年后他們發(fā)表的結(jié)果是：銫133原子基態(tài)兩個超精細(xì)能級間躍遷輻射頻率為 9192.631770MHz。這一頻率后來在1967年被第13屆國際計(jì)量大會正式被用來定義時間的基準(zhǔn)。

如果說銫原子鐘為科學(xué)的發(fā)展提供了精確的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，那么離子陷阱實(shí)驗(yàn)方法就為探索微觀粒子的特性開辟了一條新途徑。

所謂離子陷阱是一個專用名詞。它的主體是三個電極組成的電場區(qū)（圖89-1），中間是一雙曲旋轉(zhuǎn)面電極（稱環(huán)電極），上下各有一罩電極，也呈雙曲旋轉(zhuǎn)面形。在環(huán)電極與罩電極間加 10V左右的直流電壓，中間形成四極電場區(qū)。再在沿軸線方向加一均勻磁場，于是就形成一個可以囚禁電子的陷阱。再在下電極加一射頻驅(qū)動電壓，使電子作受迫軸向振蕩。電子在磁場中還要作回旋加速器運(yùn)動和磁控管運(yùn)動，這些運(yùn)動的頻率可以經(jīng)上電極的諧振電路檢測（圖89-2）。

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電子被隔絕在電極和磁體所控制的陷阱里，都安置于地球上，與地球構(gòu)成一個整體，就好像電子是被地球束縛住了似的，于是德默爾特最初給它起了一個代號叫地球素（geonium），實(shí)際上就是地球原子的意思。陷阱的尺寸極其精巧，環(huán)電極的最小直徑僅為0.325 cm，整套裝置封在真空度達(dá)到10-12Pa的真空管內(nèi)，插入超導(dǎo)線圈，并一起浸于液氦之中。超導(dǎo)線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)達(dá)5T，環(huán)境溫度大約4K。在這樣低的溫度下，電子的狀態(tài)只能用量子化的能級來描述。可以說，它是在最低的幾個能級上躍遷，同時不斷地改變自旋取向，能級躍遷和自旋反轉(zhuǎn)都可經(jīng)軸向感生電壓的頻率變化反映出來。

經(jīng)過復(fù)雜的檢測，可以從自旋運(yùn)動的頻率ν與回旋加速器頻率νC之比求出電子的g因子，1984年，德梅爾特小組測量的結(jié)果是：

g因子是表征電子或其它微觀粒子特性的重要參數(shù)，把這個參數(shù)測量得如此之精確，對認(rèn)識物質(zhì)世界規(guī)律有十分重要的意義。

首先，可以通過量子電動力學(xué)計(jì)算精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)α，根據(jù)1984年的測量結(jié)果，德默爾特小組計(jì)算得

α-1＝137.035 994 2（5）（89）其中第一項(xiàng)誤差來自實(shí)驗(yàn)，第二項(xiàng)誤差來自理論計(jì)算，他們得到的α值比別的方法精確好幾倍。

其次，如果把從g因子計(jì)算出的α值跟其它方法得到的α值比較，就可以對量子電動力學(xué)理論進(jìn)行檢驗(yàn)。這個比較一直在進(jìn)行，可以說，不同途徑得到的α值高度符合，證明了量子電動力學(xué)的正確性。

還有，比較不同的微觀粒子的g因子，可以檢驗(yàn)?zāi)承┲匾奈锢硪?guī)律。例如，1987年德默爾特小組測量出正電子的g因子為：

用同一方法測得負(fù)電子g因子為：

兩者相比，得：

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這不能說不是對CPT定理最嚴(yán)格的一次檢驗(yàn)！

離子陷阱實(shí)驗(yàn)方法還可用于質(zhì)子和重離子。經(jīng)過補(bǔ)償?shù)呐韺幭葳蹇梢援?dāng)作高分辨率的質(zhì)譜儀測量電子和質(zhì)子的質(zhì)量比，其精確度超過以往的任何方法，1986年德默爾特小組的成員戴克（R.S.Van Dyck）等人測得：mp/me＝1836.152 701（37），不確定度僅為2×10-8。

用陷阱的方法研究微觀粒子的特性具有重大的科學(xué)價(jià)值，多少年來，人們研究電子及其它粒子，對它們有了許多了解，但是過去做的許多實(shí)驗(yàn)，都無法排除電子之間和電子與外界之間的相互作用，因此人們對電子的知識都是統(tǒng)計(jì)性的。地球素實(shí)驗(yàn)第一次突破這一局限，可以把電子和其它粒子單個存儲在特定的區(qū)域里，長期與外界隔絕，這就為人們進(jìn)一步探索微觀粒子的基本性質(zhì)提供了嶄新的手段。作為這一方法的創(chuàng)始人和推動上述研究的帶頭人，德默爾特的貢獻(xiàn)值得倍加推崇。

拉姆齊1915年8月27日出生于美國華盛頓特區(qū)，母親是德國移民，曾是大學(xué)數(shù)學(xué)教師，父親是西點(diǎn)軍校畢業(yè)生，當(dāng)過美軍軍官。由于父親工作沒有固定地點(diǎn)，他小時常隨家周游世界，學(xué)習(xí)不按常規(guī)，基本上靠自學(xué)，居然在15歲上以優(yōu)異成績從高中畢業(yè)。

拉姆齊早年對科學(xué)的興趣是由閱讀一篇關(guān)于原子的量子理論而激發(fā)的。當(dāng)時他并不認(rèn)為物理可作為自己的職業(yè)。父母曾指望他步父親的后塵去西點(diǎn)學(xué)軍事，可是當(dāng)時他還太小，于是就申請了一項(xiàng)獎學(xué)金到堪薩斯大學(xué)哥倫比亞學(xué)院上學(xué)，專業(yè)是數(shù)學(xué)。由于他每年都獲得競賽優(yōu)勝獎，在高年級時竟得到了只有研究生才能從事的教學(xué)助理的榮譽(yù)。1935年拉姆齊從哥倫比亞大學(xué)畢業(yè)。由于興趣轉(zhuǎn)向，逐攻讀物理。

接著。拉姆齊又得獎學(xué)金到英國劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)。這里群英匯集，他第一次接觸到分子束方法，后來又回到哥倫比亞大學(xué)跟隨拉比做博士論文，正好拉比發(fā)明了分子束磁共振方法，使他認(rèn)識到這是一種很有潛力的新途徑。幸運(yùn)地，就在當(dāng)研究生期間，他和庫什（Kusch）等人，共享了發(fā)現(xiàn)氘核四極矩的榮譽(yù)。

第二次世界大戰(zhàn)期間，拉姆齊領(lǐng)導(dǎo)了3cm波長雷達(dá)的試制小組，還到華盛頓當(dāng)軍事主管部門的雷達(dá)顧問，并于1943年參加過曼哈頓計(jì)劃。

戰(zhàn)爭結(jié)束后，拉姆齊回到哥倫比亞大學(xué)當(dāng)了教授，在拉比的領(lǐng)導(dǎo)下恢復(fù)分子束實(shí)驗(yàn)室，并帶領(lǐng)研究生測量一系列的核磁數(shù)據(jù)，還積極籌備布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室，1946年拉姆齊成了該實(shí)驗(yàn)室的物理部第一屆主任。

1947年拉姆齊轉(zhuǎn)到哈佛大學(xué)，在那里一直工作了40年，建立分子束實(shí)驗(yàn)室，以便精確地進(jìn)行磁共振實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時遇到的主要困難是沒有足夠均勻的磁場。這促使他發(fā)明了分離振蕩場方法。分離振蕩場方法不但為銫原子鐘的建立奠定了基礎(chǔ)，還使他們有可能測量許多不同分子的分子特性和磁特性，其中包括核自旋、核磁矩和電四極矩，分子旋轉(zhuǎn)磁矩、自旋-旋轉(zhuǎn)相互作用、分子中電子的分布等等。

進(jìn)入90年代，拉姆齊還在進(jìn)行分子束和中子束研究。他主持建設(shè)哈佛回旋

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加速器實(shí)驗(yàn)室，并用這臺加速器進(jìn)行質(zhì)子-質(zhì)子散射研究。

拉姆齊雖然基本上是一位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，但他對理論也十分喜愛，曾經(jīng)建立核磁共振化學(xué)位移理論、分子核的相互作用的理論和負(fù)絕對溫度下的熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的理論。

拉姆齊已于1986年從哈佛大學(xué)退休，但他現(xiàn)在仍活躍在物理學(xué)界，與各大學(xué)及中心實(shí)驗(yàn)室建立有廣泛的聯(lián)系。

德默爾特1922年9月9日出生于德國的哥利茲（Gorlitz），父親曾在柏林大學(xué)學(xué)習(xí)過法律。第一次世界大戰(zhàn)中當(dāng)過炮兵軍官。1940年，德默爾特中學(xué)畢業(yè)后，應(yīng)召入伍。1943年在柏林郊區(qū)當(dāng)過高射炮兵。1943年-1944年出于軍事需要，被送往布雷斯勞（Breslau）工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)物理，后來又回到部隊(duì)參加迫擊炮團(tuán)。1945年初被美軍俘虜，次年釋放后進(jìn)格丁根大學(xué)學(xué)習(xí)。1948年及1950年分別獲學(xué)士學(xué)位和博士學(xué)位。1950年-1952年在格丁根大學(xué)當(dāng)博士后。1955年到美國，1956年成為西雅圖華盛頓大學(xué)的助理教授，1961年升正教授，1978年被選為美國科學(xué)院院士。

保羅1913年8月10日出生于德國薩克森州洛侖茲基希（Lorenzkirch）的一個農(nóng)村里，父親曾是慕尼黑大學(xué)藥物化學(xué)教授，所以保羅小時候在慕尼黑受過良好教育，并很熟悉化學(xué)實(shí)驗(yàn)室里科學(xué)家是如何工作的。可惜其父在他15歲時就去世了。他厭煩中學(xué)偏重拉丁文和古希臘文的教學(xué)方式，決心成為物理學(xué)家。他接受他父親好友索末菲的建議，先當(dāng)了精密機(jī)械工藝的學(xué)徒。1932年秋，進(jìn)入慕尼黑工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)。他聽到名師講物理課，豐富的表演實(shí)驗(yàn)激起了他對物理學(xué)的興趣。兩年后保羅轉(zhuǎn)到柏林工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)，在那里很幸運(yùn)地遇到了一位物理教授，對他像慈父一般地關(guān)懷，這位教授正工作于超精細(xì)光譜學(xué)和磁矩領(lǐng)域。保羅和他一起工作了16年，另外還有一位理論物理學(xué)家貝克爾（Becker），對他也有深刻影響，不僅在科學(xué)方面，甚至于他的思想，包括待人接物和政治態(tài)度。

1937年保羅轉(zhuǎn)到基爾（Kiel）大學(xué)讀博士學(xué)位。論文題目選的是從超精細(xì)光譜測定鋇的核矩。他利用原子光源以減小多普勒效應(yīng)。正當(dāng)要做實(shí)驗(yàn)時，卻被應(yīng)征入伍，不久就爆發(fā)了世界大戰(zhàn)。所幸后來請到了假，完成了博士考試。1940年，保羅脫離軍隊(duì)，回到導(dǎo)師身邊繼續(xù)做科學(xué)研究，從事的是質(zhì)譜學(xué)和同位素分離。后來還與醫(yī)學(xué)系的同事合作，做放射生物學(xué)和電子癌癥治療工作。

① 測量引力紅移，可以驗(yàn)證廣義相對論，從廣義相對論可以得出，在強(qiáng)引力場中時鐘要走得慢些，因此從巨大質(zhì)量的星體表面發(fā)射到地球上的光的譜線，會向光譜的紅端移動，這就是所謂的譜線引力量移效應(yīng)。

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第二篇：2018諾貝爾物理學(xué)獎評論：啁啾脈沖放大技術(shù)為什么這么重要？

2018諾貝爾物理學(xué)獎評論：啁啾脈沖放大技術(shù)為什么這么重要？

2018年10月2日下午，有著近300年歷史的皇家瑞典科學(xué)院揭曉了2018年諾貝爾物理學(xué)獎。獲獎的三位科學(xué)家在激光物理領(lǐng)域取得了開創(chuàng)性發(fā)明。獎項(xiàng)的一半授予美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的Arthur Ashkin，表彰他所發(fā)明的光鑷技術(shù)，并將此技術(shù)應(yīng)用于生物體系。另一半被法國籍科學(xué)家Gérard Mourou（法國巴黎綜合理工學(xué)院教授、美國密歇根大學(xué)名譽(yù)教授）和他的學(xué)生Donna Strickland（加拿大滑鐵盧大學(xué)副教授）所分享。他們提出的啁啾脈沖放大技術(shù)（Chirped Pulse Amplification, CPA）正是現(xiàn)在產(chǎn)生超強(qiáng)超短脈沖激光的獨(dú)創(chuàng)性方法。

這里，我們來聊一聊產(chǎn)生超強(qiáng)超短激光脈沖的啁啾（zhōu jiū）脈沖放大技術(shù)。自1960年美國加州休斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家梅曼宣布獲得了第一束激光以來，激光技術(shù)早已融入日常生活。無論是老師上課時手持的激光筆，還是耗資數(shù)十億歐元、長度超過3公里的歐洲自由電子激光裝置，各種激光器遍及工業(yè)、通訊、科學(xué)及娛樂領(lǐng)域。激光物理中定義的超短脈沖是指時間尺度小于皮秒量級（1 ps = 10-12 s）的電磁脈沖。照相機(jī)所使用的閃光燈，閃一次的時間大約是百分之一秒（0.01 s）。如今超短激光脈沖的閃亮?xí)r間早已達(dá)到飛秒（1 fs = 10-15 s），甚至阿秒（1 as = 10-18 s = 0.***001s）量級。眾所周知，功率的單位是瓦特W，1 W = 1 J / 1 s。當(dāng)激光脈沖的能量越大，激光脈沖的時間尺度越短，對應(yīng)的峰值功率就越大（即增大分子，縮小分母）。為了獲得極高的峰值功率，科學(xué)家不僅需要縮短激光脈沖的時間尺度，同時還需不斷放大激光脈沖的能量。超強(qiáng)超短激光技術(shù)的革新時刻推動著高能物理、聚變能源、精密測量、化學(xué)、材料、信息、生物醫(yī)學(xué)等一批基礎(chǔ)與前沿交叉學(xué)科的開拓和發(fā)展。在啁啾脈沖放大技術(shù)出現(xiàn)之前，科學(xué)家通過調(diào)Q（Q-switching）和鎖模（Mode-locking）等超快激光技術(shù)已經(jīng)可以將激光脈沖從毫秒（1 ms = 10-3 s）量級提高到納秒（1 ns = 10-9 s）、皮秒（1 ps = 10-12 s）量級。在啁啾脈沖放大技術(shù)之后出現(xiàn)的克爾透鏡鎖模（Kerr-Lens Mode-Locking，KLM）技術(shù)，甚至將激光脈沖的時間尺度直接壓縮到了飛秒量級，所對應(yīng)的峰值功率也得到了一定的提高。但是，直接放大激光脈沖的能量，進(jìn)一步提高峰值功率遇到了難以逾越的瓶頸。因?yàn)橹苯臃糯筮^程中，激光脈沖的超高峰值功率密度（功率密度=功率/聚焦光斑的面積）極易損壞放大器中增益介質(zhì)和其他透射式光學(xué)元器件（其效果類似于用放大鏡把太陽光聚焦到報(bào)紙上的一個小點(diǎn)，很容易就能將其點(diǎn)燃燒毀）。其次，直接放大的激光脈沖時間尺度太短，不利于高效吸收放大增益介質(zhì)中的全部能量。

圖1 激光聚焦功率密度的發(fā)展歷程

如圖1，在CPA技術(shù)出現(xiàn)之前，激光功率密度經(jīng)歷了近20年的平臺區(qū)之后突飛猛進(jìn)。為了避免激光脈沖放大過程中過高的峰值功率密度超過放大增益介質(zhì)所能承受的破壞閾值，之前最簡單粗暴的方法就是擴(kuò)大增益介質(zhì)口徑和聚焦光斑的面積。遺憾的是，這一方案很容易受到增益介質(zhì)和光學(xué)元器件實(shí)際尺寸的限制。簡單計(jì)算一下就知道，假設(shè)現(xiàn)有的超大激光晶體直徑為1米，為了增加1萬倍的激光聚焦功率密度，我們就需要把原有的激光晶體直徑從1米增加到100米（面積增加1萬倍），并且相關(guān)的光學(xué)元器件的尺寸都需要有百倍提升。

如果需要增加1億倍的激光聚焦功率密度，就需要直徑接近1萬米的光學(xué)元器件。啁啾脈沖放大技術(shù)讓激光聚焦功率密度直接提升了接近10個數(shù)量級，相當(dāng)于1千公里長的超大晶體（從北京到上海也就這么長）。不知道漫畫英雄蟻人是否有過類似的感受。同時，如此巨大的面積帶來能量密度的減少，更不利于吸收增益介質(zhì)儲存能量。

1985年，隨著啁啾脈沖放大技術(shù)的出現(xiàn)，激光聚焦功率密度實(shí)現(xiàn)飛躍式的提升。從CPA的基本原理圖（圖2）可見，整個系統(tǒng)大致分為振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器。其關(guān)鍵是：

在直接輸入放大器之前，先利用展寬器對振蕩器輸出的超短飛秒（皮秒）脈沖引入一定的色散，將脈沖寬度在時域上展寬約百萬倍，至百皮秒甚至納秒量級；這樣不僅極大降低了峰值功率，而且保證了單位面積上的能量密度；

然后在放大器中進(jìn)行放大，這樣既降低了相關(guān)元件損傷的風(fēng)險(xiǎn)，還避免了增益飽和等許多不利的非線性效應(yīng)，有利于高效吸收增益介質(zhì)儲存能量；

等獲得較高的能量以后，再通過壓縮器補(bǔ)償色散，將脈沖寬度壓縮回飛秒（皮秒）量級。

圖2啁啾脈沖放大技術(shù)原理示意圖

自CPA技術(shù)之后近30年的時間里，不僅激光的峰值功率及強(qiáng)度提高了近10個量級，而且激光裝置的體積及成本也大大降低，得以廣泛應(yīng)用于高校和研究所。由于CPA技術(shù)在激光強(qiáng)度發(fā)展的歷史中所起的作用，美國將基于CPA技術(shù)搭建的激光系統(tǒng)用于快點(diǎn)火激光聚變工程，以期徹底解決能源問題。國際上許多頂級實(shí)驗(yàn)室也相繼建成了多臺峰值功率超過拍瓦級別(1015 W，PW)的CPA裝置：如勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）的1.5 PW、450 fs釹玻璃激光系統(tǒng)，中科院物理研究所的1.16 PW、30 fs激光裝置，韓國先進(jìn)光子學(xué)研究所的1.5 PW鈦寶石CPA激光系統(tǒng)，中物院激光聚變中心的5 PW級激光裝置和中科院上海光機(jī)所最新獲得的10 PW裝置等。作為歐盟未來大科學(xué)裝置的極光設(shè)施（Extreme Light Infrastructure，簡稱ELI），目標(biāo)定為發(fā)展峰值功率高達(dá)200 PW的超強(qiáng)超短激光裝置。

2013年，G.Mourou等人基于現(xiàn)有的光纖放大技術(shù)及相干合成技術(shù)，針對下一代粒子加速器的應(yīng)用發(fā)展需求提出了一套重復(fù)頻率 10 kHz、單脈沖能量10 J的設(shè)計(jì)方案。國內(nèi)中國科學(xué)院物理研究所、天津大學(xué)、北京大學(xué)、清華大學(xué)、西安光機(jī)所、華東師范大學(xué)等科研單位也在該領(lǐng)域展開了大量工作，爭取早日拉近與國外同行的差距。

備注1：CPA技術(shù)的結(jié)果最先發(fā)表在《光學(xué)通信》（五年影響影子1.57，不算高）。

備注2：這篇獲獎文章的最后感謝了Mourou教授的另一位學(xué)生Steve Williams，因?yàn)镸ourou教授研發(fā)CPA技術(shù)的靈感很大程度上源于這位學(xué)生與他頗具啟發(fā)性的討論。備注3：Strickland當(dāng)年作為一個新入學(xué)的博士生，在導(dǎo)師Mourou、同事Bado和Bouvie的幫助下很快完成了原理性實(shí)驗(yàn)，之后她還擔(dān)心這個課題過于簡單，不夠博士畢業(yè)的要求。備注4： Mourou和Strickland的獎金大約170萬人民幣，能在北京湊個首付？