中科院魏志義詳解：今年的諾貝爾物理學獎是怎樣的一項發現？

2018年的諾貝爾物理學獎授予給了激光物理領域，由三位科學家分享，其中法國科學家Gérard Mourou和加拿大科學家Donna Strickland因「他們生成高強度、超短光脈衝的方法」共同分享了1/2的諾貝爾物理學獎。

那麼，他們的發現到底是什麼？有什麼重要意義？

《知識分子》邀請中科院物理研究所研究員魏志義進行詳細解讀。

魏志義，中科院物理研究所研究員，主要研究領域為超短超強激光物理與技術，包括飛秒激光放大的新原理與新技術、阿秒激光物理與技術、光學頻率梳及應用等。

解讀 | 魏志義

採訪 | 蔣海宇

今年諾貝爾物理獎的成果授予一項稱之為「啁啾脈衝放大」的技術，簡稱CPA。該技術最早出現在雷達技術中，用於微波的放大。1985年，時在美國羅切斯特大學的Mourou和Strickland將技術改進後，用於超短脈衝激光的放大，從而使得激光的峰值功率得到了突飛猛進的提升。此前，人們所能得到的激光最高強度受激光元器件的限制：強度過高後，激光器元件會被打壞，無法繼續工作。因此激光的功率和強度提升緩慢，進入瓶頸。CPA技術提出以後，使得激光的功率和強度迅速增長。在不到十年的時間裡，人們所能得到的激光強度提高了6到7個量級。

當時，Strickland在羅切斯特大學做博士後，Mourou是她的導師。他們的工作發表在一個並不是特別出名的一個雜誌：Optics Communication上。第一作者是Strickland。儘管雜誌不出名，但由於論文的重要意義，很快就引起了激光界的廣泛重視，許多實驗室開始使用此技術進行超短脈衝激光能量的放大。

2018年諾貝爾物理學獎獲得者：Gérard Mourou

2018年諾貝爾物理學獎獲得者：Donna Strickland

追求更高的激光強度，是激光研究者最重要的使命之一。CPA的發明與實施，促進了激光強度的突破性進展：這項技術從發明到現在已經33年，卻依然是非常熱門、非常前沿的激光研究工作之一，並持續推進著激光向更高的強度提高。目前最高強度的激光，就是用這個技術生產的。毋庸置疑，它引領了激光技術發展的前沿。

激光強度的提高帶來了很多前所未有的應用，使以前無法開展的工作得以開展，以前不存在的應用得以開展，包括精密加工、激光醫療、超快現象等，比如在激光加工中，利用CPA技術產生的超快激光可以高質量的切割手機屏幕、修復集成電路元件等。在醫療中，可以用來治療近視眼、白內障、光學斷層掃描成像（OCT）。

其實，CPA技術最強大和挑戰性的應用是激光物理。利用超短超強激光與物質相互作用，可以快速的將電子電離，產生遠高於原子內場的強場電場，並形成極高的瞬態磁場、加速梯度、等離子體密度等，併產生中子，驅動核反應。

以前的激光因為強度不夠，所以只能產生有限的電離子體。現在激光能夠產生很強的等離子體，創造極端的物理條件，將質子、電子加速到MeV、GeV的能量，推動了激光與許多前沿物理學科的交叉，在基礎物理、核物理、高能物理等領域有著廣泛的應用，可以是CPA技術是推動物理學前沿發展的重要推手。

實際上，1999年諾貝爾化學獎、2005年諾貝爾物理學獎也是與超快超強激光緊密相關的成果。激光作為人類文明歷史上最重要的發明之一，迄今已產生多項諾貝爾獎，如華裔科學家朱棣文因為激光冷卻獲得諾貝爾獎，現在實驗室所能得到的最低溫度就是利用激光冷卻產生的。高琨因為光纖的發明使用獲得諾貝爾獎，目前已改變了我們的生活方式，成為造福人類的重要貢獻。

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