诺贝尔奖获得唐娜•斯特里克兰的技术为高强度激光铺平了道路

该诺贝尔奖获得者的技术为高强度激光铺平了道路。

从小到大，唐娜 • 斯特里克兰（Donna Strickland）心中都有一个目标——获得博士学位。但直到在加拿大安大略省汉密尔顿市麦克马斯特大学攻读物理学本科期间选修了激光课程，她才知道自己想要真正追求什么。

斯特里克兰说，激光看起来“真的很酷，就像科幻小说里的东西”。那时她不知道，她新发现的热情有一天会让她获得诺贝尔物理学奖。

荣誉会员唐娜·斯特里克兰在安大略省滑铁卢大学的实验室里，她在该校教授物理。

在纽约罗切斯特大学从事光学研究期间，斯特里克兰与激光先驱、法国物理学家热拉尔 • 穆鲁（GérardMourou）一起工作。在探索如何在不损坏激光器的情况下提高其峰值功率时，他们发明了啁啾脉冲放大技术（CPA）。啁啾脉冲放大技术可以产生高强度的短激光脉冲，如今用于眼部矫正手术、医学成像、智能手机制造等领域。

斯特里克兰、穆鲁和 IEEE 终身会士亚瑟 • 阿斯金（Arthur Ashkin）共同获得了 2018 年诺贝尔物理学奖。阿斯金发明了一种独立技术“光学镊子”，该技术能使用低功率激光束操纵活细胞和其他微小物体。

在斯德哥尔摩音乐厅，唐娜·斯特里克兰从瑞典国王卡尔·古斯塔夫手中接过2018年诺贝尔物理学奖。

她的发明还获得了由 IEEE 赞助的2023年IEEE荣誉会员奖。

斯特里克兰是安大略省滑铁卢大学的物理学教授。她领导的研究团队正在开发用于非线性光学研究的高强度激光系统，例如通过差频混频产生中红外波段脉冲，以及研究多频拉曼产生技术。

高强度激光

1981 年从麦克马斯特大学获得物理学工程学士学位后，斯特里克兰搬到了纽约并在罗切斯特大学攻读光学博士学位。她在该大学激光能量学实验室与穆鲁一起工作，穆鲁当时正在寻找能在不损坏设备的前提下提高激光强度（光功率）的方法。

脉冲激光器可以在短时间内将光线集中以产生功率。1960年，物理学家西奥多 • 梅曼（Theodore Maiman）展示了第一台激光器，在之后的几年内，其峰值强度迅速提高。但1970年后，由于放大通过某一点的光会损坏激光器，因此其强度不再增加并保持稳定长达十多年。

在关于光与物质相互作用的研究中，穆鲁于1983年提出假设：在将脉冲重组之前，间隔并增强脉冲可以在无损情况下产生更高强度的激光脉冲。斯特里克兰说，但他不知道如何做到这一点。因此在博士学习时期，她用不同的激光系统验证了他的假设，然而都没能奏效。

1984年参加超快现象国际会议时，斯特里克兰和穆鲁找到了解决办法。该活动每年举办两次，汇集的科学家研究着原子、分子或材料在1飞秒或更短时间内发生的过程。

两人共同在会议上进行了有关新开发的掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器光纤脉冲压缩的演讲。该技术可以使用光纤中的非线性光学器件将100皮秒脉冲压缩到1皮秒，从而增加激光器的光谱带宽。研究发现，当脉冲通过光纤的实现拉伸时，压缩效果最好。

她和穆鲁发现，脉冲需要在放大之前拉伸，而不是像以前那样在放大之后拉伸。拉伸脉冲意味着它可以被重新压缩以达到所需强度。

为了验证他们的理论，两人在激光能量学实验室建设了一个由一个2瓦 Nd:YAG激光器、1.4千米光纤、一个放大器和一对平行光栅组成的系统。Nd:YAG激光器向光纤泵送了一个100皮秒的短脉冲。光的速度取决于波长，因此红光在光纤中的传播速度比蓝光快。

斯特里克兰说，它被称为“啁啾脉冲”，因为它与鸟的啁啾的频率结构相似。

啁啾脉冲使脉冲的持续时间更长，并且能分散强度从而避免损坏激光器。拉伸后的低能量密度脉冲会被放大，通过平行的衍射光栅，让后面的蓝光赶上红光。这两个脉冲都通过反射光栅重组。斯特里克兰称，重组后的脉冲比原来的脉冲强3倍。

自那以后，这项技术为创造有史以来最短最强的激光脉冲铺平了道路，也让构建更紧凑精确的激光系统成为了可能。

从普林斯顿到滑铁卢

协助开发啁啾脉冲放大技术后，斯特里克兰于1988年成为了物理学家保罗 • 科克姆（Paul Corkum）的第二位博士后研究员。科克姆曾在加拿大国家研究委员会工作，专门研究激光科学，并开创了阿托秒物理学。

3年后的1991年，她成为了美国能源部在加利福尼亚州的劳伦斯利弗莫尔国家实验室的物理学家。

斯特里克兰于1992年离职，加入了普林斯顿大学光子和光电子材料高级技术中心。

1996年，她回到加拿大，加入了滑铁卢大学物理系担任助理教授，并于2002年被提升为副教授。2007年至2013年，她担任该系副主任。

斯特里克兰称：“年轻时，我只想获得博士学位并留在学校。做学生的体验最好，做教授的体验次之。”

作者：Joanna Goodrich