热拉尔·穆鲁

1985 年以前，想要更强的激光脉冲，只有一条路：造更大的放大器。脉冲越短，峰值越高，也越容易把放大器自己的晶体烧穿，所以很长一段时间里，激光的峰值功率停在一个平台上爬不动。

穆鲁想到的办法听起来像是在绕远路：先把脉冲拉长上千倍，让它温和地通过放大器，把能量吸饱，再把它压回原来那么短。这就是啁啾脉冲放大。它让一张光学桌上的装置做到了原先要整栋楼才能做到的太瓦，也让如今全世界每年上百万台眼科手术用上了飞秒激光。2018 年，他与当年的研究生唐娜·斯特里克兰因此分享了诺贝尔物理学奖。

阿尔卑斯山的电工之子

穆鲁 1944 年生于法国萨瓦省的阿尔贝维尔。父亲是电气工程师，战后法国大规模电气化，他负责阿尔卑斯山区「三峡谷」一带的电网。穆鲁在自传里记得，大约五岁那年父亲回家说，昨天有幸和约里奥-居里夫人喝了咖啡——那是他第一次听说诺贝尔奖。

父亲教他下棋，也爱拿电磁学的小题目考他。他最着迷的是光速：一秒钟走过的路程相当于绕地球七圈。

父亲希望儿子受技术教育，把他送进格勒诺布尔附近沃龙的国立技术中学，学制图、机械与车间实习。他自评是中等生，爱走神，这让父母很着急——后来他在自传里说，这些毛病恰恰成了做研究的本钱。

1963 年他进入格勒诺布尔大学，1967 年拿到物理硕士，同年与玛塞勒结婚，去巴黎读研。

第一个课题就是「啁啾」

1967 年，穆鲁在巴黎听说刚从哈佛回来的雅克·杜屈安开了一门「非线性光学」研究生课程，一听就被这个与激光连在一起的新名词迷住了。他在巴黎综合理工学院找到一个激光方向的研究职位。

他分到的课题，事后看几乎是诺贝尔奖的预演：调 Q 激光发出的纳秒脉冲，频率在脉冲持续期间并不恒定，而是一路漂移——英文叫 chirp，像鸟鸣一样音调滑动，中文译作「啁啾」。设想是利用这种频率漂移把脉冲压短。在纳秒尺度上，漂移太弱，没做出什么惊人的结果；但他自己说，这段经历对他的实验训练极其重要，十年后同一个想法换到更短的脉冲上就成功了。

1970 年他以「科学合作者」身份服兵役，到加拿大魁北克的拉瓦尔大学，在北美最早拥有皮秒激光的实验室之一做了三年染料分子的皮秒动力学，1973 年回巴黎通过国家博士答辩。随后在加州大学圣迭戈分校做了一年博士后，用当时刚问世的光学多道分析器第一次在皮秒尺度上看到分子的运动。他把这算作自己「第一个重要发现」，从此认定了超快物理。

罗切斯特：聚变实验室里的一个小组

1974 年穆鲁回到法国应用光学实验室，把超快光学引进来。他在华盛顿的激光与电光学会议上报告了用皮秒激光触发高压电开关的工作，引起罗切斯特大学激光能量学实验室一位研究员的注意：惯性约束聚变需要飞秒级的诊断手段。几个月后，实验室给他打来电话，请他去做研究员。

1977 年 9 月，他举家迁往罗切斯特。起初他以为自己犯了大错——激光聚变是庞大的国家项目，而他喜欢小而灵活的课题。好在实验室的主任看出，聚变主线之外需要一个适合博士生做研究的小环境，便让他主持一个「超快科学组」。

这个组成了 1980 年代超快光学的发源地之一。学生们做出了时间分辨的皮秒电子衍射（1982 年拍下铝的固—液相变）、太赫兹脉冲的产生、能以亚皮秒精度测电信号的电光采样。组里的学生后来多成了这一领域的骨干，其中有一位叫唐娜·斯特里克兰。

拉长、放大、再压回

组里最核心的工作仍是产生和放大短脉冲。当时的放大介质是染料：染料储能差，脉冲能量上不去，但也因此不会强到自毁。钕玻璃正好相反，储能极好，理论上带宽也够放大亚皮秒脉冲，可它「好得过头」——脉冲一旦把能量吸足，光强就高到引发非线性效应，先把光束质量搞坏，再把放大器本身打坏。

矛盾可以写得很具体。要把放大器的能量取干净，每平方厘米得通过接近「饱和通量」的能量，钕玻璃约 4 焦耳；可这几焦耳若挤在一皮秒里，光强就是每平方厘米几太瓦，而元件的安全上限只有吉瓦量级，差了上千倍。

1982 年组里就在讨论怎样用储能更好的介质拿到更大的单脉冲能量。启发来自别处：IBM 的格里施科夫斯基与贝尔实验室的约翰逊发现，让脉冲穿过一段光纤，自相位调制和色散会把它拉长，同时频谱变宽、频率随时间线性滑动——正是「啁啾」；再用一对平行光栅，就能把它压回比原来短得多的脉冲。穆鲁想：何不在拉长与压回之间插进一台放大器？脉冲被拉长时峰值光强低，可以放心放大；等能量取尽了，再压缩。

他把实验交给刚入组的斯特里克兰。据穆鲁回忆，她很兴奋，但也担心这个题目不够写一篇博士论文；结果她很快就把这个方案做到了毫焦耳量级。1985 年，两人在《光学通讯》上发表了这篇三页的论文。

缆车上想到的匹配展宽器

第一版方案并不完美：光纤展宽与光栅压缩并非严格互逆，拉得越长，压回来的脉冲两侧留下的「裙边」越明显。穆鲁需要一对完全匹配的展宽器与压缩器，他称之为自己的「圣杯」。

答案出现在滑雪缆椅上。他想起前一天读到的马丁内斯的论文：那是为 1.5 微米光通信设计的压缩器，由一对光栅加一个放大率为 1 的望远镜组成。他意识到，这个装置恰好是标准光栅压缩器的「镜像」，可以做成与之精确匹配的展宽器。他当即放下滑雪回到实验室，让新来的学生佩索验证。1987 年，佩索把一个 80 飞秒的脉冲拉长一千倍，又原样压了回去。这套展宽—压缩结构至今仍是 CPA 激光的标准架构。

接下来，访问学者梅纳与博士后巴多把它装进一台焦耳级的钕玻璃系统，与斯特里克兰一起得到 1 焦耳、1 皮秒的脉冲——1 太瓦，放在一张桌子上。那天夜里组里欢呼，实验室主任探头进来问出了什么事。大家随后查了查「太」之后的词头是什么，发现是「拍」，于是把下一个目标定为拍瓦。「啁啾脉冲放大」这个名字也是这时定下的。十年后，利弗莫尔国家实验室的佩里团队做出了第一个拍瓦脉冲。

密歇根：飞秒激光进了眼科

CPA 开辟的方向与聚变实验室的主业背道而驰，成功之余也带来了张力。1988 年 8 月，穆鲁带着整个小组迁往密歇根大学。1990 年，他们拿到美国国家科学基金会的中心资助，成立超快光学科学中心（CUOS）。中心里做出了千赫兹重复频率的钛宝石 CPA 激光，后来成为全世界超快实验室的主力光源。

眼科应用的起点是一次事故。1990 年代初，穆鲁的研究生 Detao Du 在调光路时抬起护目镜，被一束杂散的飞秒光击中眼睛。给他看诊的是密歇根大学眼科中心的住院医生罗恩·库尔茨，他发现视网膜上的烧伤点边缘精确、呈完美的圆形，与临床上其他激光留下的损伤截然不同。

这引出了穆鲁实验室与库尔茨的合作。Du 与 Xinbing Liu 测出，飞秒脉冲造成击穿的阈值能量更低、也更确定，冲击波和空化气泡更小。随后穆鲁组与库尔茨、蒂博尔·尤哈斯一起，在动物眼上做成了角膜内切割。

这里要说清楚 LASIK 的来历：LASIK 本身是用准分子激光重塑角膜，此前已在临床使用；它的第一步要先在角膜上切出一个薄瓣，原本用的是机械微型刀。飞秒激光改变的是这一步——把焦点扫描在角膜内部，精确切出角膜瓣，即所谓「无刀 LASIK」。1997 年库尔茨与尤哈斯创办公司把它商业化，2001 年推出首台商用飞秒眼科激光。穆鲁在诺贝尔演讲里说，如今每年有上百万病人从飞秒激光手术中受益，范围已扩展到白内障、角膜移植与青光眼治疗。

回到法国：极端光基础设施

2005 年，穆鲁回到法国出任应用光学实验室主任。同年，欧洲研究基础设施战略论坛正在更新路线图，他借机提议建设一个泛欧洲的极端光基础设施（ELI），同时在法国本土推动 Apollon 激光。

ELI 的目标是把十飞秒量级的脉冲聚焦到微米大小的光斑上，达到每平方厘米 $10^{24}$ 瓦以上的「超相对论」光强，用激光加速粒子、产生阿秒乃至更短的辐射脉冲，把激光带进核物理与高能物理的地盘。2008 年，他作为发起人与项目负责人主持 ELI 的筹备阶段。经过长时间的讨论，ELI 分成三处，建在三个中东欧国家：捷克做高能粒子与辐射束线，匈牙利做阿秒光源，罗马尼亚做核物理。

2011 年 ELI 转入建设阶段，67 岁的穆鲁退休为荣誉教授，与日本的田岛俊树——激光尾场加速的提出者——一起创办了 IZEST，去探索 ELI 之外的下一步。

晚年的设想：用激光处理核废料

穆鲁晚年最常被媒体提起的，是用激光处理核废料。要照实说：这是一项设想，不是已实现的技术。

他在诺贝尔演讲里专门写了一节。思路是：用强激光加速离子，打靶产生高能中子，再用中子把乏燃料里最危险、寿命最长的次锕系元素嬗变成寿命短得多的核素。演讲引用的估算是，嬗变能把乏燃料的放射毒性降到不处理时的约千分之一。

难点他自己也写得很清楚：这类应用需要拍瓦级峰值功率，同时要兆瓦级平均功率和接近 50% 的电光效率；而现有的拍瓦激光每秒只能打几发，平均功率只有几十瓦，电光效率不到 1%。他为此提出把大量光纤 CPA 激光相干合成的新架构（ICAN），目前仍处在原型验证阶段。

冲向施温格极限

穆鲁给极端光物理定的最远目标，是施温格临界场：电场强到约每米 $10^{18}$ 伏时，真空本身会被「撕开」，凭空产生电子—正电子对。

$$E_S = \frac{m_e^2 c^3}{e\hbar}$$

现有技术下，聚焦光强大约卡在每平方厘米 $10^{25}$ 瓦，离这个极限还差几个数量级。他近年的思路是不再一味加大能量，而是把脉冲压到单个光周期，再用等离子体「相对论镜」把它变成阿秒乃至仄秒量级的 X 射线脉冲。他在演讲结尾把这一步比作当年从微波激射器走到激光——频率从吉赫跃升到光频。

一句话的遗产

回头看，穆鲁的一生都绕着同一个词打转：从 1967 年第一个课题里那点太弱、没用上的频率漂移，到 1985 年用它把激光的峰值功率一下子推高几个数量级。今天几乎每一台高峰值功率的超短脉冲激光，从实验室里的阿秒光源到医院里的眼科设备，内部都有一对展宽器与压缩器。