盛政明:2018年諾貝爾物理學獎解讀 | 物理諾獎專題

2021-01-21 中科院物理所

10月2日瑞典當地時間上午11點45分,2018年諾貝爾物理學獎被授予美國科學家亞瑟·阿斯金(Arthur Ashkin)、法國科學家傑哈·莫羅(Gérard Mourou)和加拿大科學家唐娜·斯特裡克蘭(Donna Strickland),以表彰他們在雷射物理研究領域作出的開創性貢獻。

其中阿斯金的貢獻是發明了一種"光學鑷子",作為一種全新的操控工具可以在不損傷生物系統的條件下移動細胞、細菌等微生物,因而對生物系統的觀察、控制具有廣泛應用。而莫羅和斯特裡克蘭則發明了一種產生"高強度、超短時間光脈衝"的方法,即啁啾雷射脈衝放大技術(簡稱CPA技術)。

CPA技術為基礎科學以及應用科學研究開拓了一片全新的領域,它能夠讓雷射以極高的精確度在各種材料上進行切割、鑽洞等操作,因而在工業和醫療等方面具有廣泛的應用。

在基礎科學領域,CPA技術的應用則是更加廣泛而深入,從超快非線性光譜、阿秒科學、新型高能粒子加速器、到高能量密度科學、乃至雷射核聚變研究。

2010年 Nature 曾經預測了今後10年6項與雷射有關的科學突破,其中4項突破與超短超強雷射緊密關聯,包括臺面相對論加速器、雷射聚變、全光鍾和阿秒科學。

莫羅和斯特裡克蘭在20世紀80年代末發明了CPA技術。該技術利用了短脈衝雷射具有很寬頻譜的特點,首先利用一對光柵對短脈衝雷射在時間上展寬上萬倍,然後將其通過晶體等介質進行能量放大至晶體破壞閾值的極限,接著在真空中通過另一個對光柵將放大後的雷射脈衝壓縮至原來的脈衝寬度。從該技術剛發明至今,人們已經將雷射脈衝的強度和功率提高了7-8個數量級,由此將雷射與物質相互作用研究推進到之前難以想像的新領域。

目前採用CPA放大技術的雷射器已經可以產生脈寬在幾十飛秒(10-15秒)、峰值功率達到拍瓦(1015瓦)的雷射脈衝。目前全球有數十個實驗室開展基於這種超短超強雷射脈衝的基礎科學和應用研究。

在莫羅等人的推動下,歐洲於2012年啟動了極端光基礎設施(Extreme Light Infrastructure, ELI),這一設施的三大實驗室分別位於捷克、匈牙利和羅馬尼亞,擬建設10拍瓦量級的超強雷射器。這類雷射器不僅可用於高能粒子加速、極端高亮度X和伽瑪光源、光核物理,還可以用於非線性真空物理等來檢驗量子電動力學基本規律。

早在1994年,中科院物理所就曾經邀請當時在英國牛津大學工作的張杰系統介紹國際上利用CPA超短超強雷射所開闢的雷射強場物理研究最新進展。那也是我國第一個有關強場物理的講習班和我國強場物理研究的開始點。目前我國在中科院物理研究所、上海光機所、中國工程物理研究院雷射聚變中心、上海交通大學、北京大學、清華大學等單位均建有與超短超強雷射及其應用相關的實驗室,並與莫羅教授有非常良好的互動及合作。由張杰院士領導的中科院物理所團隊和上海交通大學研究團隊自1998年起,在強雷射物理領域開展廣泛而深入的研究。研究課題涉及雷射聚變新概念、雷射等離子體加速器、新型輻射源產生、實驗室天體物理、超強雷射技術等,取得了一系列具有國際影響的研究成果。譬如在雷射加速方面,提出了電離注入新方案,使得雷射尾場加速電子束的品質、穩定性得到極大提高,並提出了面向TeV雷射等離子體加速的方案,為實現從雷射加速到雷射加速器的轉變做出了關鍵性貢獻;在強雷射實驗室創造出類似於天體環境下的高能量密度物質狀態,開拓了基於強雷射的實驗室天體物理研究;提出並驗證了「準參量放大(QPCPA)」強雷射放大新概念,該方案的放大能力可以大幅度超過CPA方案和OPCPA方案等。

2014年張杰院士因上述學術貢獻獲得高能量密度與雷射核聚變領域最重要的獎項-美國核學會愛德華·泰勒獎,成為華人中第一位獲得此項學術榮譽的科學家。其「雷射強場物理」團隊在今年9月中旬榮獲2018年度求是傑出科技成就集體獎。在張杰提議,莫羅的支持下,上海交通大學在2008年主辦了第三屆超強雷射國際會議(ICUIL),這是莫羅教授發起的,國際上該領域最重要的系列國際會議。

「雷射強場物理」團隊盛政明教授與莫羅教授的親密合影


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