瑞典皇家科學院發布的新聞材料中啁啾脈衝(chong) 放大的插圖2018年諾貝爾物理學獎用來表彰“在激光物理領域的突破性發明”。不過，這實際上是兩(liang) 個(ge) 半獎項:一個(ge) 獎給亞(ya) 瑟阿什金，因為(wei) 他發明了利用激光移動小物體(ti) 的“光鑷”;另一個(ge) 獎給傑拉德穆盧和唐娜斯特裏克蘭(lan) ，因為(wei) 他們(men) 發明了製造超短、超強激光脈衝(chong) 的技術。這兩(liang) 篇文章都非常值得被授予諾貝爾獎，但它們(men) 之間並沒有那麽(me) 緊密的聯係。

穆盧和斯特裏克蘭(lan) 所做的是開發一種方法來提高脈衝(chong) 激光的強度和減少脈衝(chong) 的持續時間。在各種各樣的技術中扮演著重要角色,需要高強度的光，從(cong) 眼科手術激光加速帶電粒子的工具到非常快的光脈衝(chong) ，如最近的實驗觀察從(cong) 分子中敲出一個(ge) 電子需要多長時間。這種對其他科學的支持正是諾貝爾獎應該認可和支持的，所以我認為(wei) 這是一個(ge) 很好的獎項選擇。

穆盧和斯特裏克蘭(lan) 發明了一種被稱為(wei) “啁啾脈衝(chong) 放大”的技術，這種技術很大程度上依賴於(yu) 波動物理學的一個(ge) 核心事實，即製造一個(ge) 持續時間短的脈衝(chong) 需要在頻率上廣泛傳(chuan) 播(反之亦然)。他們(men) 以一種巧妙的方式利用了這種頻率傳(chuan) 播，從(cong) 而規避了過高強度會(hui) 損壞用於(yu) 放大激光脈衝(chong) 的晶體(ti) 這一事實所帶來的限製。

但是為(wei) 什麽(me) 短脈衝(chong) 需要很寬的頻率範圍呢?你可以通過觀察當你開始加入頻率略有不同的光脈衝(chong) 時會(hui) 發生什麽(me) 來看到這一點。下圖顯示了底部的一個(ge) 單頻波，其上麵的組合頻率分別為(wei) 2、3和5。

增加多個頻率以形成一係列窄脈衝。

當增加第二個(ge) 頻率時，單個(ge) 平滑波分解成一係列的“拍頻”區域，在這些區域中，一些波的行為(wei) 被兩(liang) 個(ge) 不同頻率相互抵消的區域所分隔。對於(yu) 任何嚐試過為(wei) 兩(liang) 種相似樂(le) 器調音的人來說，這都是一個(ge) 熟悉的現象:當他們(men) 試圖演奏同一種樂(le) 器，但調音不太一致時，你會(hui) 聽到一種刺激的脈衝(chong) 音，當你調音時，這種脈衝(chong) 音會(hui) 變慢。

當你增加更多的頻率時，一般的拍結構仍然存在，但是具有明顯波動特性的區域的寬度變得更小。這是一種與(yu) 波有關(guan) 的非常普遍的現象，適用於(yu) 任何具有波性的東(dong) 西:聲波、光波，甚至與(yu) 量子力學粒子有關(guan) 的物質波。如果你把許多頻率略有不同的波疊加在一起，就會(hui) 得到一係列窄脈衝(chong) ，在這些脈衝(chong) 中，你會(hui) 看到強烈的波活動，而在這些窄脈衝(chong) 中，相隔的區域卻不大。

你可以利用這些物理原理很容易地製造出脈衝(chong) 激光器，隻要找到一種增益介質就可以將光放大到更大的頻率範圍。其中一種常見的介質是鑲嵌在藍寶石晶體(ti) 中的鈦原子，它可以讓你放大從(cong) 可見光譜到一大片近紅外光譜範圍內(nei) 的光。轟擊其中一個(ge) 鈦:晶體(ti) 在兩(liang) 個(ge) 鏡子之間，泵入一些能量到係統中，你可以得到一個(ge) “鎖模”激光器，在這個(ge) 激光器中，一束不同頻率的光的存在會(hui) 導致短脈衝(chong) 的光，每個(ge) 脈衝(chong) 包含一個(ge) 範圍廣泛的頻率。

超短激光脈衝(chong) 的兩(liang) 幅互補圖:強度與(yu) 頻率的關(guan) 係，以及強度與(yu) 時間的關(guan) 係。如果你想製造一個(ge) 真正強烈的超短激光脈衝(chong) ，你很快就會(hui) 遇到一個(ge) 問題，那就是任何一個(ge) 放大器晶體(ti) 隻能承受這麽(me) 多。當光的強度變大時，材料就會(hui) 被損壞，這就限製了你使用這些激光器的能力。

這個(ge) 問題似乎是無法克服的，如果你認為(wei) 脈衝(chong) 隻是在強度對時間的意義(yi) 上，你觀察強度與(yu) 頻率的關(guan) 係，你就會(hui) 發現，產(chan) 生脈衝(chong) 的各個(ge) 頻率本身都沒有足夠的強度來產(chan) 生問題。所以，穆盧和斯特裏克蘭(lan) 想出的竅門是把它們(men) 分離出來，所以放大器一次隻需要處理幾個(ge) 頻率。

不管怎樣，你最終得到的是一個(ge) 更長的激光脈衝(chong) ，其中高頻光先到達，而低頻光在一段時間後才散去。這被稱為(wei) “啁啾脈衝(chong) ”，因為(wei) 鳥的啁啾具有相同的頻率結構:開始時頻率高，結束時頻率低(反之亦然)。

啁啾脈衝(chong) 可以讓你得到更長的持續時間，但更重要的是，它分散了強度，所以它總是低於(yu) 放大器的損傷(shang) 閾值。然後你可以安全地提高脈衝(chong) 中每個(ge) 頻率的強度，這樣就會(hui) 得到一個(ge) 更強但更長的脈衝(chong) 。然後你就扭轉鳴叫過程,使用一對衍射光柵,使高頻的前緣略長路徑旅行比低頻的後緣,這樣所有的頻率同時到達,但是強度增加好多倍。

小心地使用這種技術可以讓你的飛秒脈衝(chong) 的持續時間與(yu) 瘋狂的強度——10 ^ 25瓦每平方厘米左右。這些極其激烈的領域可以做各種各樣的暴力和有趣的事情，打開了巨大的可能性。

啁啾脈衝(chong) 放大是一種非常聰明的技巧，用語言來說比在實驗室裏做要容易，所以穆盧和思特裏克蘭(lan) 德能夠使它工作，這令人印象深刻。在演示之後，很多人開始模仿和改進這項技術，這項技術在物理學甚至醫學上都有應用。因此，他們(men) 理應獲得諾貝爾獎。