唐娜·斯特里克兰

1985 年 12 月 1 日，《光学通讯》刊出一篇三页的短文，作者是罗切斯特大学的一名博士生和她的导师。唐娜·斯特里克兰后来回忆，写完才发现只有三页：「我只想把点子讲清楚、把激光的细节交代清楚、把数据给出来。」那是她发表的第一篇论文。

三十三年后，它拿了诺贝尔物理学奖。

「那是男孩的科目」

她 1959 年生在安大略省的小城圭尔夫，父亲是电气工程师，母亲受过教师训练、当时在家带三个孩子。家里从不说「如果你上大学」，只说「等你上大学」。

据家里流传的说法，是父亲带她去科学中心时，指着一台展品把她叫过去：「你会想看看这个，这是未来。」那是一台激光。

高中时她对老师说，很高兴再也不用修历史和地理了，接下来想学数学和物理。老师回答：那是男孩的科目。她不敢相信——那届数学最好的几个学生都是女生，班上没人觉得奇怪。母亲则常说后悔年轻时没去学理科，因为周围人都劝她女人不走那条路。斯特里克兰说，听着母亲的遗憾长大，让她决心只按自己的长处选专业。

她在麦克马斯特大学读工程物理，因为课程表上有一个方向专讲激光与电光学。1981 年毕业，那一届工程物理专业有三位女生。

一台「像圣诞树」的实验室

她去了罗切斯特大学光学研究所。第一周，一位加拿大同学带她参观，把她领进激光能量学实验室里热拉尔·穆鲁的超快激光组：绿光泵浦的红色染料激光，一闪一闪像圣诞树。穆鲁当时还不是教授，只能当她的研究导师；到她读第三年，研究所发现想跟他的学生太多，才给了他教职，她于是成了穆鲁最早的博士生之一。

穆鲁给她一篇斯坦福的哈里斯 1973 年的理论文章：原子里某些跃迁能让高次谐波共振增强，从而在激光到不了的极紫外波段产生相干光。她算出二价镍离子与钕钇铝石榴石激光的第 8 次谐波共振，于是论文题目定为造出第 9 次谐波。

九阶非线性，要的不只是脉冲激光，而是强到当时没有的激光。

天花板

非线性光学看的是强度：能量除以脉宽、再除以光斑面积，

$$I = \frac{E}{\tau A}$$

光斑面积由聚焦定死，想要高强度只能加能量或者压脉宽。罗切斯特的激光能量学实验室两样都有，可惜不在同一台机器上。染料激光的脉冲短到 100 飞秒，但能量最多约 1 毫焦，峰值功率大约 10 吉瓦；为激光聚变建的 Omega 钕玻璃激光能给出 1 千焦，能量大一百万倍，脉冲却必须长于 1 纳秒，长一万倍，否则会打坏激光棒。

打坏它的是自聚焦。光强够高时折射率随光强增加，$n = n_0 + n_2 I$。光束中心比边缘亮、走得比边缘慢，整束光就像穿过一块透镜一样往里收，越收越亮、越亮越收，最后在介质里烧出一道伤痕。人们要的正是出口处的高峰值功率，可峰值功率一高，放大器自己先坏。

她先试着直接压缩一台高能激光的脉冲，没成功。

先拉长，再放大，再压短

办法是穆鲁想出来的——她在自传里写得很清楚：「热拉尔想到了一个新点子，就是我们今天说的啁啾脉冲放大。」思路简单得近乎狡猾：短脉冲不能直接放大，那就先把它拉长，让放大器里的峰值功率保持在安全线以下；放大完再压回去，所有能量挤进一个短脉冲，峰值功率在出口处才冲上去。

拉长的办法是啁啾：让脉冲里的频率随时间滑动，

$$\omega(t) = \omega_0 + \beta t$$

红光在前、蓝光在后，像一声音调渐高的鸟叫。她在演讲里说：本来也可以叫「展宽脉冲放大」，只是「啁啾脉冲放大」听起来更好。

压回去的工具早就有了：特雷西 1969 年证明，一对平行光栅能让不同颜色走不同的路程，把线性啁啾完全消掉。1984 年贝尔实验室的汤姆林森、斯托伦与尚克又弄清楚了光纤怎样同时展宽光谱与拉长脉冲。难的是把它们拼成一台能用的放大器。

天花板里的 1.4 公里光纤

当时最短的脉冲来自波长约 0.6 微米的染料激光，而储能最好的放大器是 1 微米的钕玻璃，两者对不上。她于是用穆鲁组里一台锁模钕钇铝石榴石激光——它本来是给染料激光做绿光泵浦的，倍频只转换了一成，剩下九成红外光白白浪费，这部分光成了第一台 CPA 的种子。脉冲约 100 皮秒，太长，先要靠光纤里的自相位调制把光谱撑宽。

康宁公司捐了 2.5 公里单模光纤，纤芯 9 微米。线轴只露出一头，她得把光纤倒到另一个线轴上，结果倒断了，只能用较长的那一段——1.4 公里。染料激光实验室里放不下整套系统，他们就把光纤沿天花板一路拉到楼另一头的实验室。2 瓦的激光打进去，光谱展宽到 4 纳米，脉冲拉长到 300 皮秒。

放大器是穆鲁弄来的一台旧钕玻璃放大器，改成再生放大器，电子学由组里的工程师马塞尔·布维耶帮她修好。脉冲能量从几纳焦放大到约 2 毫焦，几乎一百万倍。最后一对平行光栅加一块屋脊棱镜把脉冲压回去。

放大后的脉冲只有每秒 10 发，她手头的自相关仪量不了；同事史蒂夫·威廉森某天夜里把他的条纹相机搬进实验室，两人一起量出约 2 皮秒——那已是相机的分辨极限，但足以说明放大没有破坏啁啾，压缩前后一样短。第一台 CPA 输出 2 毫焦、2 皮秒，峰值功率 1 吉瓦。整套系统她搭了大约一年。

他们怕被人抢先，特意投给审稿快的《光学通讯》。

从台式太瓦到强场物理

论文刊出后头几年引用并不多：大型激光系统要花时间建，而且多在大实验室。她与帕特里克·梅恩等人接着把 CPA 做成一台放得下一张光学平台的「台式太瓦」激光，1988 年发表。真正让 CPA 普及的是掺钛蓝宝石——它几乎与 CPA 同时被发现，莫尔顿 1986 年发表了它的系统研究；它增益带宽宽、又能储能，小实验室也能自己搭 CPA 系统，这个领域才一下子起飞。

至于第 9 次谐波，在毕业期限内是做不完了。拉瓦尔大学的钦来罗切斯特休假半年，要用 CPA 激光研究多光子电离，她的博士论文就改做这件事，同组还有新来的学生奥古斯特、新教授迈耶霍夫与理论家埃伯利。

按多光子图像，1 微米的光要 11 个光子才能电离氙，电离率应当随光强的 11 次方变化。实测并非如此。在约 $10^{15}\ \text{W/cm}^2$ 的强度下，光场强到足以把束缚电子的势阱压弯，电子直接从垒上翻出去——微扰论失效了。她在演讲里特意提到，多光子吸收的理论是格佩特-梅耶 1931 年的博士论文开创的，她自己的博士论文也引了那篇文章。这批电离实验成了「强场激光物理」这个新领域的开端之一。

跟着彼此搬家

还没毕业，她就想好了要去渥太华做保罗·科克姆的博士后——那时科克姆已是加拿大超快光学的头号专家，阿秒科学是之后的事。她毕业拖得太久，1988 年 1 月科克姆打来电话：只要保证夏天结束前做完，位置就给她留着。她 1988 年 9 月到岗，1989 年 2 月才正式拿到学位。在加拿大国家研究委员会的三年里，她研究超连续谱的产生与自聚焦的关系，后来又做碘分子的库仑成像。

1991 年她与道格·戴卡尔结婚——两人在穆鲁的实验室里认识，那里除了泵浦红外激光的闪光灯一片漆黑。丈夫在新泽西的贝尔实验室找到了心仪的工作，她在新泽西找不到科研职位，先去加州的劳伦斯利弗莫尔国家实验室待了一年，研制新的 CPA 激光，并终于用组里 10 太瓦的 CPA 激光做上了高次谐波。随后她进入普林斯顿大学的光子学与光电材料中心当技术人员，两个孩子都是那几年出生的。

1997 年，滑铁卢大学成了第一所给她教职的学校。这一次轮到丈夫跟着她搬家。她在那里建立了超快激光组，2002 年升为副教授，2013 年当选美国光学学会主席。

激光锤子

她喜欢打一个比方：有的物理过程取决于总能量，有的取决于单位时间里施加的力。慢慢推钉子推不动，一锤子就进去了。CPA 造出来的就是一把激光锤子。

长脉冲或连续激光加工材料靠的是加热，热会扩散，材料熔化变形；飞秒级的短脉冲在热扩散之前就把电子从原子上剥下来，材料被直接「撕开」，切口干净、孔可以打得极小。因为不依赖吸收，它甚至能在玻璃、角膜这样的透明材料内部只在焦点处动刀——这就是近视手术里用飞秒激光切角膜瓣的原理。更大的 CPA 装置则把峰值功率推到了拍瓦量级。

第三位

2018 年 10 月 2 日清晨，斯德哥尔摩打来电话。诺贝尔物理学奖一半授予阿什金的光镊，另一半由穆鲁与斯特里克兰分享，理由是「产生高强度超短光脉冲的方法」。她成为继 1903 年的居里夫人、1963 年的格佩特-梅耶之后，第三位获得诺贝尔物理学奖的女性，距上一位已过去 55 年。她在自传里写：一通电话之后，她的名字和这两位开路人被一起提起。

获奖当天两件事被广泛议论。一是她的职称：新闻发布会上记者问她为什么还不是正教授，她说自己从没申请过。有人借此讨论女性在学术晋升中的处境，也有人指出系里本可以主动推她一把。当月下旬她在接受英国广播公司采访时说：「我申请了，现在已经是正教授，我很高兴。」

二是维基百科。这一年 3 月有人为她提交过一份条目草稿，5 月被志愿编辑以「引用的资料不足以说明她值得收录」为由退回；直到诺奖公布，英文维基百科才有她的条目。维基媒体基金会事后专门撰文，解释这份草稿是怎样被退回的。

她给获奖论文算过账：获奖时它在谷歌学术上已被引用四千多次，每年还在新增约两百次。