原标题：激光、啁啾脉冲放大、超快光学和诺贝尔奖

本文作者赵昆，中国科学院物理研究所, 北京凝聚态物理国家研究中心，仅供交流学习之用，感谢分享！激光天地转载

北京时间2018年10月2日, 瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布, 将2018年诺贝尔物理学奖授予美国科学家阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)、法国科学家杰拉尔·莫如(Gérard Mourou)和加拿大科学家当娜·史翠兰 (Donna Strickland), 以表彰他们“在激光物理领域的突破性发明”. 阿什金的贡献为“光学镊子及其在生物系统的应用”, 莫如和史翠兰的贡献为“产生高强度超短光学脉冲的方法”. 本文将重点介绍这种“产生高强度超短光学脉冲的方法”和超快光学之间的关系.

超快光学是利用光学手段研究微观粒子在原子分子尺度上的超快动力学和瞬态现象的物理学分支; 从某种意义上讲可以看作是19世纪以来高速摄影发展起来的概念与20世纪60年代出现的激光光源结合的产物.

人眼的视网膜有1/24 s(约42 ms)的视觉暂留效应, 所以人眼的时间分辨能力只有24 帧. 如果一个物体在42 ms中有明显的运动或变化, 人眼就无法分辨其中的细节. 高速摄影利用极短的曝光时间或闪光灯将运动和变化的目标凝固或“定格”在一个或者一系列的刹那间——帧, 在这些“刹那间”目标的运动和变化小到可以忽略. 当一帧一帧回放时, 人们就可以对其变化的细节进行观察、研究或者欣赏.

高速摄影是从英国人泰伯(William Henry Fox Talbot, 1800~1877)在1851年利用莱顿瓶做闪光灯拍摄了贴在旋转转轮上的报纸开始的,这后来被称为“闪光摄影”(spark photography)。1878年英国出生后移民美国的摄影师迈布里奇(Eadweard Muybridge, 1830~1904)与曾担任加利福尼亚州州长的斯坦福(Leland Stanford, 1824~1893, 斯坦福大学的创立者)在帕罗奥图(Palo Alto)的马场(即现在斯坦福大学校园)拍摄了奔马系列照片(Galloping Horse), 证实了马在奔跑时有四蹄腾空的瞬间。同时期，以及之后的100多年间，纹影照相法(schlieren photography)、阴影照相法(shadowgraph)、转镜式高速摄影、光学分光法、变像管扫描法、频闪摄影法(stroboscopic photography)等一系列技术相继出现, 曝光时间、闪光灯时间和图像间隔达到了微秒(1 μs=10^−6 s)甚至纳秒(1 ns=10^−9 s)量级. 同时, 宏观运动的速度是相当有限的. 比如百米赛跑世界纪录是牙买加人博尔特的9.58 s, 平均10.4 m/s; 步枪或榴弹炮的弹丸离开枪炮口时的初速度是800 m/s左右; 传说中的高超音速武器即使达到10倍音速, 也不过就是3400 m/s. 以第三宇宙速度(16.7 km/s)飞出太阳系的旅行者一号在1 ns中也只移动了16.7 μm, 这对于直径几米的飞船是可以忽略的. 现代高速摄影完全可以拍摄和研究宏观物体和运动.