纽约州罗切斯特的冬天很冷，这座城市坐落在安大略湖的南岸，隧道连接着附近大学的建筑，为学生们抵御严寒。
但是阴沉寒冷的冬日却是滑雪的好时机。
20 世纪 80 年代，Gérard Mourou 博士在当地的一座滑雪山上乘坐缆车。在手机成为我们的最新附属品之前，搭电梯时没什么事情可做。
他的注意力转移到他在罗切斯特大学的高能物理工作上。作为激光能量学实验室的教授和成员，他试图找出如何让激光更强大的方法。
Mourou 的目标是开发一种超短、高强度的激光脉冲，而不破坏用于产生它的设备。
那次乘坐电梯的经历可能成就了他最大的突破。
Rochester, New York skyline
美国科学家 Theodore Maiman 于 1960 年发明了激光。之后，激光的功率增长缓慢。科学家们一直在努力创造更强烈的脉冲，同时又不让光破坏放大材料。
Mourou 坐在椅子上突然得到灵感。
“我立即驱车来到罗切斯特的实验室，” Mourou 说道。“我的学生在工作。我说，‘Morris，停下你手中的活——这就是我们要做的。’”
Mourou 提出了一种利用光栅制作波浪展宽器的方法，这将成为他和他的研究生 Donna Strickland 放大短脉冲激光想法的关键组成部分。他们称之为啁啾脉冲放大（CPA）。
CPA 诞生于 1985 年，是一种在不破坏放大介质的情况下放大激光脉冲的方法。它的概念非常简单：对光束进行展宽，放大，然后压缩。
展宽
来自激光器的初始短脉冲光穿过一对衍射光栅。光栅沿着比高频分量更短的路径发送脉冲的低频分量。光栅将脉冲光在时间上分散了 10^3 到 10^5 倍。
这意味着衍射光栅将脉冲分解成所有的组成颜色，并首先发送较长的波长，最后发送较短的波长。这会导致更长的脉冲持续时间。降低了脉冲的强度。
放大
现在脉冲更长，功率更低，可以安全地放大，而不会丢失任何信号或信息。一旦被放大，就会有一个更高能量的脉冲，但持续时间仍然很长。这样它就可以安全地通过放大介质。
压缩
这个更长的、放大的、能量更高的脉冲通过第二对光栅，与第一对光栅工作原理相反。这一过程消除了脉冲的长波长和短波长之间的延迟。光栅将所有波长排列在一起，形成与原始脉冲具有相同形状和长度的单个脉冲。光栅及时重新压缩脉冲，产生激光脉冲原始状态的放大版本。
产生的脉冲具有更高的放大功率。直接放大脉冲的不可能安全地实现脉冲强度。
Copyright: ©Phil Saunders Graphics/ Project École Polytechnique
当科学家拉长脉冲时，激光的频率会改变。此时产生了啁啾声，这是一个根据鸟类发出啁啾声时声音频率随时间变化而产生的术语。高频分量滞后，导致脉冲持续时间变长和啁啾。
啁啾脉冲放大最终带来更强的短脉冲激光。激光强度在这项技术在得到科学家的完善后大幅增长。
Mourou 当时并没有意识到他在 1985 年取得的巨大成就。
“研究工作刚启动的时候，展宽器和压缩器并不匹配，所以这不并是一个伟大的成就，”他说。“我们不知道该如何使用它。但我们知道我们还有一段路要走。”
第一个展宽器是一根光缆。这引起了一些问题。
“在第一个 CPA 中，我们使用光纤进行展宽，使用光栅进行压缩，” Mourou 说道。“如果展宽器和压缩器未完美匹配，形状就不会匹配。”
Mourou 和 Strickland 花了一年左右的时间寻找完美的展宽器和压缩器。
在那个冬日的缆车上，Mourou 的思绪转移到了 Oscar Martinez 的工作上，Martinez 博士是一名从事通信应用的研究人员。
“他做的和我们正在做的完全相反，” Mourou 说道。“我们在一起交流。”
光纤展宽器和光栅压缩器之间缺乏精确匹配干扰了输出。
“这是一个严重的问题。我用两个光栅组成的展宽器解决了这个问题，和压缩器原理一样。我花了一两年的时间来思考这个问题。用光纤展宽的想法不是很难。线索就是 Oscar Martinez。Oscar Martinez 想压缩这个脉冲。我意识到他的压缩器正是我要找的展宽器。”
因此，Mourou 和 Strickland 开始使用与压缩器光栅完全匹配的衍射光栅作为展宽器。
Prof. Gérard Mourou and one of his initial diffraction gratings
Mourou 和 Strickland 1985 年在罗切斯特大学对 CPA 的演示是一个概念证明。他们的实验基于用于展宽器的光纤和用于压缩器的小型衍射光栅。这限制了激光脉冲的输出强度和光转换过程的效率。
Mourou 回到法国时，他提议升级当时该国最古老的激光器之一。为进行升级，他需要更大的光栅来产生更大的功率和更高效率的输出。效率是投射到光栅上的能量从光栅反射回来的百分比。
这产生了更多的问题。
“压缩脉冲时，会在很短的时间内获得巨大的能量。“让光栅涂层表面面临被损坏的风险。”” HORIBA 法国公司的光栅和OEM制造商总监 Olivier Nicolle 说道。
Mourou 与 HORIBA 法国公司（当时是一家名为 Jobin Yvon 的独立公司）合作，开发更大的光栅，以产生更高功率的输出和更高的效率。Jobin Yvon 还开发了压缩光束无法损坏的镀金涂层。
Jobin Yvon 和 Mourou 开发的光栅以当时的标准来看尺寸巨大——190 mm x 350 mm（7.5 英寸 x 13.8 英寸）。这比通常使用的标准 50 mm x 50 mm（2 英寸 x 2 英寸）商用光栅大得多。选择更大的尺寸有合理的理由。
“190×350 mm 光栅大约是 50×50 mm 光栅的 25 倍，因此可以压缩更高能量激光脉冲，” Nicolle 说道。“它将能量增加 25 倍。此外，使用高效光栅设计可以节省大量能量。”
光束在被展宽和压缩时会从四个光栅反射回来，因此效率很重要，任何效率损失都会增加四次方。
通过使用一个数量级的更高效率光栅，可以节省大量能量。尺寸加大带来的激光强度让新的 CPA 设计成为一个可以提供研究人员所需激光强度的系统。
在 1985 年发现 CPA 33 年后，诺贝尔委员会将 2018 年诺贝尔物理学奖共同授予了 Mourou 和 Strickland 博士。详细介绍 CPA 的专题论文是 Strickland 的博士论文，也是第一篇发表的论文。他们将论文命名为《放大啁啾所致光脉冲的压缩》，并于 1985 年 7 月 5 日提交发表。
在他们获得诺贝尔奖时，两人都已经离开了罗切斯特大学。
Mourou 于 1988 年进入安阿伯的密歇根大学，他在那里创立了超快光学科学中心。他于 2005 年回到法国，成为综合理工学院应用光学实验室主任。他现在正与欧盟的一个三国项目合作，将高能物理学应用于多个领域。
加拿大人 Strickland 之后被聘请为加拿大安大略省滑铁卢大学的光学物理学教授。她是第三位获得诺贝尔物理学奖的女性。
瑞典斯德哥尔摩有一个专门用来纪念诺贝尔奖的小型博物馆，以表彰科学上最伟大的成就。
诺贝尔博物馆的负责人问 Mourou 他想展示什么来纪念有关 CPA 的发现。
Mourou 选择了一个用于大型光栅实验的 Jobin Yvon（HORIBA）原始衍射光栅。CPA 开启了更强的短脉冲强度和功率的大门。突破在于衍射光栅在高短脉冲能量环境下的坚固性和尺寸。
HORIBA Diffraction grating exhibited at the Nobel Museum
Strickland 和 Mourou 产生了持续 500 飞秒的脉冲。这种速度让研究化学反应和单个原子内部的活动成为可能。
CPA 成为高强度激光的新标准。自从 CPA 被发现以来，短激光脉冲的强度已经增加到了拍瓦级。一拍瓦等于1015瓦。一个脉冲的持续时间已经减少到飞秒范围，即千万亿分之一秒。激光的能量很大，但这种能量持续的时间很短。
CPA 技术也带来了更紧凑的激光生产设备。
激光眼科手术成为 CPA 最知名的用途之一。然而，直到 1993 年的一次意外事故，人们才掌握到这项技术的潜力。
事故发生在 20 世纪 90 年代初的 Mourou 密歇根大学实验室。一名学生在调整 CPA 激光器时未按要求佩戴护目镜。激光不慎射入学生的眼睛。Mourou 将学生紧急送往该大学的凯洛格眼科中心进行治疗。
检查学生的眼科医生被这一幕惊呆了。
“这太棒了，”他说。“你用的是哪种激光？”
学生说：“是一种新型激光。为什么这么问？”
“这很奇怪，”医生说，“因为你眼睛的损伤非常完美。”
CPA 激光在学生的视网膜上造成了一个完美的圆形受伤区域。周围组织没有附带损伤。这让医疗中心对这项技术的兴趣达到了顶峰，并最终投资了这项技术。
“我们立刻意识到我们有了一些东西，” Mourou 说道。“几天后那名眼科医生给我打电话，说想在我们组工作，做飞秒眼科。”
飞秒眼科是一种激光眼科手术，使用超短脉冲能量作为激光手术刀，不会损伤周围组织。
这一系列事件最终导致了激光眼科手术的发展。医生最初在 2008 年将用于角膜屈光手术的 CPA 激光引入准分子激光原位角膜磨镶术种，随后用于白内障手术。
科学家在各种环境中使用 CPA 技术，包括研究、工业、医学和商业制造。几乎所有最强大的激光器都使用 CPA。其中包括那些功率超过 100 太瓦（1 万亿瓦）的设备。
这些应用包括：
Mourou 正在开展一项运动，旨在设法改变核裂变的副产品放射性废物的寿命。他告诉法国科学杂志《对话》：
“以原子核为例。它由质子和中子组成。如果我们添加或删除一个中子，它绝对会改变一切。它不再是同一个原子，性质会完全改变。“核废料的寿命发生了根本性的变化，我们可以将其从一百万年缩短到 30 分钟。”
“我们已经能够用高功率激光一次性照射大量材料，因此这项技术完全适用，理论上，将其扩大应用到工业水平并没有什么障碍。这是我和法国替代能源和原子能委员会（CEA）合作发起的项目。我们认为，在 10 年或 15 年后，我们将有一些成果可以拿来展示。一想到我们的发明在未来的合作应用，这才是真正让我梦想的东西。”
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