2018年诺贝尔物理学奖:如何制造超强超短激光脉冲

来源:老胡说科学

发布时间:2018年12月18日下午 01:12:33

 

瑞典皇家科学院发布的新闻材料中啁啾脉冲放大的插图2018年诺贝尔物理学奖用来表彰“在激光物理领域的突破性发明”。不过,这实际上是两个半奖项:一个奖给亚瑟阿什金,因为他发明了利用激光移动小物体的“光镊”;另一个奖给杰拉德穆卢和唐娜斯特里克兰,因为他们发明了制造超短、超强激光脉冲的技术。这两篇文章都非常值得被授予诺贝尔奖,但它们之间并没有那么紧密的联系。

 

穆卢和斯特里克兰所做的是开发一种方法来提高脉冲激光的强度和减少脉冲的持续时间。在各种各样的技术中扮演着重要角色,需要高强度的光,从眼科手术激光加速带电粒子的工具到非常快的光脉冲,如最近的实验观察从分子中敲出一个电子需要多长时间。这种对其他科学的支持正是诺贝尔奖应该认可和支持的,所以我认为这是一个很好的奖项选择。

 

 

穆卢和斯特里克兰发明了一种被称为“啁啾脉冲放大”的技术,这种技术很大程度上依赖于波动物理学的一个核心事实,即制造一个持续时间短的脉冲需要在频率上广泛传播(反之亦然)。他们以一种巧妙的方式利用了这种频率传播,从而规避了过高强度会损坏用于放大激光脉冲的晶体这一事实所带来的限制。

但是为什么短脉冲需要很宽的频率范围呢?你可以通过观察当你开始加入频率略有不同的光脉冲时会发生什么来看到这一点。下图显示了底部的一个单频波,其上面的组合频率分别为2、3和5。

增加多个频率以形成一系列窄脉冲。

 

当增加第二个频率时,单个平滑波分解成一系列的“拍频”区域,在这些区域中,一些波的行为被两个不同频率相互抵消的区域所分隔。对于任何尝试过为两种相似乐器调音的人来说,这都是一个熟悉的现象:当他们试图演奏同一种乐器,但调音不太一致时,你会听到一种刺激的脉冲音,当你调音时,这种脉冲音会变慢。

当你增加更多的频率时,一般的拍结构仍然存在,但是具有明显波动特性的区域的宽度变得更小。这是一种与波有关的非常普遍的现象,适用于任何具有波性的东西:声波、光波,甚至与量子力学粒子有关的物质波。如果你把许多频率略有不同的波叠加在一起,就会得到一系列窄脉冲,在这些脉冲中,你会看到强烈的波活动,而在这些窄脉冲中,相隔的区域却不大。

你可以利用这些物理原理很容易地制造出脉冲激光器,只要找到一种增益介质就可以将光放大到更大的频率范围。其中一种常见的介质是镶嵌在蓝宝石晶体中的钛原子,它可以让你放大从可见光谱到一大片近红外光谱范围内的光。轰击其中一个钛:晶体在两个镜子之间,泵入一些能量到系统中,你可以得到一个“锁模”激光器,在这个激光器中,一束不同频率的光的存在会导致短脉冲的光,每个脉冲包含一个范围广泛的频率。

超短激光脉冲的两幅互补图:强度与频率的关系,以及强度与时间的关系。如果你想制造一个真正强烈的超短激光脉冲,你很快就会遇到一个问题,那就是任何一个放大器晶体只能承受这么多。当光的强度变大时,材料就会被损坏,这就限制了你使用这些激光器的能力。

这个问题似乎是无法克服的,如果你认为脉冲只是在强度对时间的意义上,你观察强度与频率的关系,你就会发现,产生脉冲的各个频率本身都没有足够的强度来产生问题。所以,穆卢和斯特里克兰想出的窍门是把它们分离出来,所以放大器一次只需要处理几个频率。

不管怎样,你最终得到的是一个更长的激光脉冲,其中高频光先到达,而低频光在一段时间后才散去。这被称为“啁啾脉冲”,因为鸟的啁啾具有相同的频率结构:开始时频率高,结束时频率低(反之亦然)。

啁啾脉冲可以让你得到更长的持续时间,但更重要的是,它分散了强度,所以它总是低于放大器的损伤阈值。然后你可以安全地提高脉冲中每个频率的强度,这样就会得到一个更强但更长的脉冲。然后你就扭转鸣叫过程,使用一对衍射光栅,使高频的前缘略长路径旅行比低频的后缘,这样所有的频率同时到达,但是强度增加好多倍。

小心地使用这种技术可以让你的飞秒脉冲的持续时间与疯狂的强度——10 ^ 25瓦每平方厘米左右。这些极其激烈的领域可以做各种各样的暴力和有趣的事情,打开了巨大的可能性。

 

啁啾脉冲放大是一种非常聪明的技巧,用语言来说比在实验室里做要容易,所以穆卢和思特里克兰德能够使它工作,这令人印象深刻。在演示之后,很多人开始模仿和改进这项技术,这项技术在物理学甚至医学上都有应用。因此,他们理应获得诺贝尔奖。

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