激光物理學(xué)的革命：讓光束干活

　　當(dāng)?shù)貢r間10月2日，瑞典皇家科學(xué)院在斯德哥爾摩宣布，將2018年諾貝爾物理學(xué)獎授予美國科學(xué)家亞瑟·阿斯金(Arthur Ashkin)、法國科學(xué)家杰哈·莫羅(Gerard Mourou)以及加拿大女性科學(xué)家唐娜·斯特里克蘭(Donna Strickland)，以表彰他們在激光物理學(xué)領(lǐng)域的奠基性貢獻(xiàn)和突破性發(fā)明。他們將獲得金質(zhì)獎?wù)隆⒆C書，并將分享 900萬瑞典克朗(約合人民幣696萬元)獎金，其中阿斯金獲得其中一半，莫羅和斯特里克蘭共享另外一半。

　　作為諾貝爾獎最重要的獎項，物理學(xué)獎一直以來都是公眾關(guān)注的焦點，而此次的獎勵方向雖然出乎大多數(shù)預(yù)測所料，但也實至名歸，三位科學(xué)家的研究確實為激光物理學(xué)帶來了革命性的變化。阿斯金發(fā)明的光鑷工具能夠 “夾”住微小粒子，如原子、病毒以及活細(xì)胞等物體。莫羅和斯特里克蘭的科研突破則為實現(xiàn)更短和更強(qiáng)的激光脈沖打下了基礎(chǔ)。他們發(fā)明的啁啾脈沖放大技術(shù)，已經(jīng)成為高強(qiáng)度激光的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。三位獲獎?wù)咦龀龅牡旎载暙I(xiàn)，不僅使人類得以觀察到更多細(xì)小事物的變化過程，除此之外，他們更為推進(jìn)其他許多領(lǐng)域的發(fā)展注入了新的動能。

　　沒有準(zhǔn)備的獲獎時刻

　　來自美國貝爾實驗室的阿斯金，是迄今為止最高齡的諾貝爾獎得主。據(jù)《衛(wèi)報》報道，他曾一度抱怨過諾貝爾物理學(xué)獎忽視了他的科研發(fā)現(xiàn)。但當(dāng)96 歲的阿斯金接到瑞典皇家科學(xué)院的通知電話時卻說，他暫時不能接受采訪，因為他在進(jìn)行一項最新的研究，正忙著寫他的激光論文。

　　阿斯金在紐約布魯克林長大，順利進(jìn)入哥倫比亞大學(xué)讀書，期間曾作為技術(shù)人員為美國軍方的雷達(dá)設(shè)備制造磁控管。大二時，他曾應(yīng)征入伍準(zhǔn)備參加第二次世界大戰(zhàn)，但導(dǎo)師席德·米爾曼卻看重他的才華，把他列入了“征兵預(yù)備隊”，得以讓阿斯金在戰(zhàn)爭時期繼續(xù)在實驗室工作。從哥倫比亞大學(xué)畢業(yè)后，他又考入康奈爾大學(xué)攻讀核子物理學(xué)，并最終獲得了博士學(xué)位。經(jīng)人推薦，他進(jìn)入世界上成就最突出的企業(yè)研發(fā)機(jī)構(gòu)貝爾實驗室工作。

　　20世紀(jì)60年代，第一臺激光器發(fā)明后，阿斯金立即開始在紐約郊外的貝爾實驗室中試驗這臺新設(shè)備。他意識到激光可以作為利用光束移動微小粒子的一種完美工具。此后他開始致力于利用激光操縱微粒的工作，并帶來了 1986年光鑷的發(fā)明，正因如此，他被許多人稱為“光鑷研究領(lǐng)域之父”。

　　莫羅是法國電氣工程和激光領(lǐng)域的先驅(qū)。他于1944年出生于法國阿爾貝維爾。1973年從巴黎大學(xué)獲得博士學(xué)位后，他前往美國，在圣地亞哥州立大學(xué)從事博士后研究工作。1979年至 1988年，莫羅擔(dān)任羅徹斯特大學(xué)的教授，并在此期間完成了得獎成果：啁啾脈沖放大。他在接受采訪時說，他喜歡在滑雪時思考問題，他常常去布里斯托爾山滑雪度假村滑雪，在運動過程中往往能夠解決一些科研上想不通的問題。2017年他還與臺灣大學(xué)物理學(xué)教授合作，提出了利用鐳射和納米技術(shù)打造“類比黑洞”的設(shè)想，希望能解決懸宕40年未決的黑洞信息遺失悖論。

　　憶起得知獲獎時的情景，莫羅說： “那是一個了不起的時刻，沒有人為那個時刻做好準(zhǔn)備。當(dāng)時我在去游泳池的路上，接到了秘書的電話。我的秘書說，你得立刻聽個電話，所以不要去游泳了。然后我接到了諾貝爾委員會主席的電話，他說：‘我很高興地宣布，你獲得了與斯特里克蘭分享的2018年諾貝爾獎。’隨后，各種電話像海嘯一般打來。”

　　“這太瘋狂了!”諾貝爾物理學(xué)獎的第三位獲得者斯特里克蘭在接到瑞典皇家科學(xué)院的電話時脫口而出這句話。斯特里克蘭是歷史上第三位獲得諾貝爾物理學(xué)獎的女性，也是時隔 55年再次獲得諾貝爾物理學(xué)獎的女性，1963年德裔美國女物理學(xué)家瑪麗亞·格佩特·梅耶因發(fā)展了解釋原子核結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型獲得此獎，而另一位則是居里夫人。

　　斯特里克蘭自稱“激光運動員”。她的研究領(lǐng)域雖受到尊敬，但競爭激烈，她的研究內(nèi)容關(guān)乎誰能得到“最短的脈沖，最高的能量，最高的平均功率”。于1997年進(jìn)入加拿大滑鐵盧大學(xué)物理系的斯特里克蘭曾獲得過科特雷爾學(xué)者獎和總理杰出研究獎。在美國羅徹斯特大學(xué)獲得博士學(xué)位時，她的導(dǎo)師正是同樣獲得2018年諾貝爾物理學(xué)獎的莫羅。正在那時她和莫羅教授開始研究“啁啾調(diào)頻脈沖放大”技術(shù)?；貞浧鸬谝淮螀⒂^激光實驗室時的場景時，她說：“激光的顏色就像圣誕樹上色彩斑斕的燈。研究激光的一部分樂趣就在于能與五顏六色的光一起玩耍。”由于斯特里克蘭對超快激光特別是啁啾調(diào)頻脈沖放大和超快非線性光學(xué)做出的突出貢獻(xiàn)，她最近被任命為美國光學(xué)學(xué)會會員。

　　她告訴記者，當(dāng)收到諾貝爾獎委員會的消息后，她的第一反應(yīng)是：“這太瘋狂了!這都不是真的吧!莫羅是我的老師，我非常榮幸能夠與老師一起獲得這項殊榮，他可是最早啟迪我的人!” 當(dāng)被問到作為史上第三位女諾貝爾物理學(xué)獎獲獎?wù)哂惺裁锤邢霑r，她說： “當(dāng)然，首先要慶祝女性物理學(xué)家在物理學(xué)領(lǐng)域取得的成就。當(dāng)下整個世界發(fā)展迅速，而女性成為了一種推動力量，很榮幸我能成為她們中的一員。”

　　光學(xué)鑷子俘獲記

　　20世紀(jì)60年代開播的《星際迷航》系列電視劇中有這樣的場景，牽引光束可以用來取回物體，甚至是太空中的小行星，而無需物理接觸。這與阿斯金一直以來的一個夢想相契合，那就是如果光束可以用來干活、移動物體那有多好。這聽起來就像是天方夜譚，因為我們可以感受到陽光是攜帶能量的，在陽光下會感到熱，但卻連一絲推力都感覺不到。但它的力量是否足以推動極小的粒子和原子呢?

　　1960年第一臺激光器發(fā)明后，阿斯金利用新儀器在貝爾實驗室開始了實驗。他發(fā)現(xiàn)，在激光中光波相干地向前傳播，而在普通的白光中，光束混合了彩虹的所有顏色，并在每個方向上散射。阿斯金意識到，激光是用光束移動光學(xué)表上的激光束 微觀粒子的理想工具。于是，他照亮了微米尺寸的透明球體，果然，激光光束立即就能讓這些小球移動。

　　同時令阿斯金感到驚訝的是，這些球體被吸到了光束中間，光強(qiáng)度最大的地方。為什么呢?因為不管一束激光多么細(xì)銳，它的強(qiáng)度總是會由中心向邊緣逐漸減弱，于是激光給粒子的輻射壓也會發(fā)生變化，將粒子推向光束中間，并把它們維持在中心位置。為了將粒子保持在光束方向上，阿斯金又增加了一個高強(qiáng)度透鏡來聚焦激光。于是，這些粒子被吸向光強(qiáng)度最大的一點，一個光陷阱誕生了，這就是后來人們所稱的光學(xué)鑷子。但這樣的光學(xué)鑷子能捕獲什么東西呢?

　　經(jīng)過多年的努力后，光陷阱終于可以捕獲單個原子了。這期間曾有過許多困難，其一就是光鑷必須足夠有力才能捕獲原子，其二就是原子的熱振動。所以必須找到一種方法，能夠減慢原子的運動并把它們局限在一個極小的，比句號還要小的區(qū)域上。到1986年，一切都準(zhǔn)備就緒了，光鑷搭配了其他的一些手段，終于實現(xiàn)了俘獲原子的效果。

　　隨著原子減速技術(shù)發(fā)展成一門獨立的研究領(lǐng)域，阿斯金又發(fā)現(xiàn)了光鑷的一種全新用途，即用于研究生物系統(tǒng)。他的發(fā)現(xiàn)其實算得上是一種機(jī)緣巧合。在光學(xué)鑷子成功捕獲到單個原子后，他曾試著用光鑷捕獲一些更小的粒子，使用的樣品是小的花葉病毒。

　　在他碰巧把樣品敞著放了一整夜之后，樣品上就布滿了四處亂跑的大粒子。阿斯金用顯微鏡觀察到，這些粒子其實是一些無法自由游動的細(xì)菌，當(dāng)它們靠近激光束的時候，就被光鑷捕獲了。不過阿斯金的綠色激光能量太強(qiáng)，把細(xì)菌都?xì)⑺懒?。因此要想保持?xì)菌的活性，就得用能量弱一些的激光，使用紅外激光的話，細(xì)菌就不會受到損傷，并且還可以在光陷阱里繼續(xù)繁殖。

　　于是，接下來阿斯金的研究對象就集中在了多種不同的細(xì)菌、病毒和其他活細(xì)胞中。隨著研究的深入，他甚至可以做到在不破壞細(xì)胞膜的情況下碰觸到細(xì)胞內(nèi)。阿斯金以他的光學(xué)鑷子開啟了一整套全新的應(yīng)用領(lǐng)域。許多研究者受到阿斯金的啟發(fā)，使用了他的方法并把它做了進(jìn)一步的完善。

　　如今，光學(xué)鑷子推動的應(yīng)用已不計其數(shù)，它們能讓研究人員不接觸到研究對象，就觀測、翻轉(zhuǎn)、切割和推拉實驗物體。在許多實驗室中，光學(xué)鑷子成為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備用來研究生物過程，如單個蛋白、分子馬達(dá)、DNA或細(xì)胞內(nèi)部的運作。光學(xué)全息術(shù)便是最近的進(jìn)展之一，這種技術(shù)允許上千鑷子同時工作，例如從感染細(xì)胞中分離健康的血細(xì)胞，而這可以廣泛應(yīng)用于對抗瘧疾的研究中。這樣，阿斯金一直以來的夢想便在某種程度上得到了實現(xiàn)。

　　力大無比的啁啾脈沖

　　另外兩位獲獎?wù)叩陌l(fā)明——超短和超強(qiáng)的激光脈沖技術(shù)，也是他們曾經(jīng)的夢想照進(jìn)了現(xiàn)實。

　　技術(shù)的靈感來源于一篇科普文章，里面詳細(xì)描述了雷達(dá)和它的長無線電波。不過，無論是從理論上還是實際操作上，要將這個想法轉(zhuǎn)移到更短的光波上都不容易實現(xiàn)。

　　1985年12月，斯特里克蘭發(fā)表了自己的第一篇科學(xué)論文，在其中她描述了這個突破性的概念。當(dāng)時她從加拿大搬到了美國羅切斯特大學(xué)，在那里她開始對激光物理感興趣，這不僅是因為那些將實驗室點亮得如同圣誕樹一般的綠色和紅色光束，也是因為她的導(dǎo)師莫羅的未來展望。這些展望里有一項已經(jīng)實現(xiàn)了——把短激光脈沖放大到史無前例的水平。

　　激光是通過一種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)創(chuàng)造出來的，在這個過程中，光子會生成更多的光子，它們能以脈沖的形式發(fā)射出來。自從約60年前激光被發(fā)明開始，研究者們就試圖創(chuàng)造出更強(qiáng)的脈沖。然而，到了20世紀(jì)80年代中期，這條道路似乎走到了盡頭。因為對于短脈沖而言，再增加光強(qiáng)，就會把放大材料燒毀。

　　斯特里克蘭和她的導(dǎo)師莫羅的新技術(shù)——啁啾脈沖放大技術(shù)，是一項既簡單又優(yōu)雅的新技術(shù)。取一段短激光脈沖，在時間上拉長，把它放大，再重新壓縮成短脈沖。當(dāng)脈沖拉長之后，峰值功率就會大幅下降，這樣就可以在不損壞放大器的前提下放大到更高的倍數(shù)。之后把脈沖重新壓縮，于是更多的光就被壓縮到了很小的空間中，脈沖的強(qiáng)度就隨之急劇上升。

　　他們花了很長的時間才將各個步驟成功組合起來，和大多數(shù)項目一樣，實踐和概念上的大量細(xì)節(jié)給研究帶來了很多困難。例如，他們用新到手的一根2.5千米的光纖延展了脈沖，但是另一端卻沒有光出來，因為光纖在中間的不知哪里斷掉了。他們費了很大力氣，最終只好勉強(qiáng)使用1.4千米的光纖才獲得成功。除此之外，項目中遇到的最主要的難點——保證各步驟的設(shè)備間步調(diào)一致，延展器和壓縮器必須同步，也最終得到了解決。1985年，斯特里克蘭和莫羅首次證明了他們兩人優(yōu)雅的理論也能在實踐中生效。

　　他們發(fā)明的啁啾脈沖放大技術(shù)掀起了激光物理學(xué)界的革命，成為了之后所有高強(qiáng)度激光器的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，并開啟了物理、化學(xué)和醫(yī)學(xué)中新領(lǐng)域和新應(yīng)用的大門。如今，人們可以在實驗室里就造出有史以來最短、最強(qiáng)的激光脈沖。

　　那么如何應(yīng)用這些超短的強(qiáng)脈沖呢?一個早期的應(yīng)用領(lǐng)域就是，給發(fā)生在分子和原子間的事情進(jìn)行快速照相。在瞬息萬變的微觀世界里，事情發(fā)生得如此之快，以至于很長一段時間里人們只能描述事件之前和之后的場景。但運用短至飛秒級別，也就是十億分之一秒長的脈沖，曾經(jīng)瞬間發(fā)生的事情也能被看見了。

　　脈沖激光器由于具有極高的功率，又可以產(chǎn)生很強(qiáng)的光學(xué)非線性效應(yīng)，所以當(dāng)脈沖小到飛秒這種量級的時候，是一種冷加工工具，它非常安全，在眼科手術(shù)等醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用上非常有前途。激光的極高強(qiáng)度也使其成為改變物質(zhì)性質(zhì)的工具，絕緣體會因為它轉(zhuǎn)變成導(dǎo)體;而極其鋒利的激光束可使在不同材料上極其精細(xì)地切割或鉆孔成為可能，甚至是在活的生物里，比如：激光可被用作更高效的數(shù)據(jù)儲存，這樣數(shù)據(jù)不僅存儲在材料表面，還可以存儲在材料內(nèi)部深挖的小孔里;這種技術(shù)也被用來生產(chǎn)手術(shù)支架，這些支架是只有微米尺度的金屬圓柱體，可以用來對血管、尿道和身體其他通路進(jìn)行擴(kuò)張和加固;還有數(shù)不清的使用領(lǐng)域未被完全探索。每一次技術(shù)進(jìn)步都使研究者得以深入探索新世界，改變著基礎(chǔ)研究和實際應(yīng)用領(lǐng)域。

　　阿托秒物理就是近幾年新出現(xiàn)的研究領(lǐng)域之一。1阿托秒是1秒的十億分之一的十億分之一，短于100阿托秒的激光脈沖揭示了電子的神奇世界。電子是化學(xué)的主力，它們負(fù)責(zé)所有物質(zhì)的光學(xué)和電學(xué)屬性，還負(fù)責(zé)化學(xué)鍵間的相互作用?，F(xiàn)在它們不但可以被觀察到，還能被控制。這些新的激光技術(shù)將會很快應(yīng)用于更多場合：更快的電子元件，更高效的太陽能電池，更好的催化劑，更加強(qiáng)有力的粒子加速器，新能源，還有定制藥品。

　　在如此充滿競爭的領(lǐng)域，沒人敢停下繼續(xù)探索的步伐。斯特里克蘭目前在加拿大繼續(xù)她的研究工作，她的導(dǎo)師莫羅回到法國參與了泛歐激光計劃與其他項目。他發(fā)起并領(lǐng)導(dǎo)了極限光基礎(chǔ)設(shè)施(ELI)的早期開發(fā)。未來幾年內(nèi)，捷克共和國、匈牙利和羅馬尼亞將建成三處場地，設(shè)計峰值為10拍瓦(1016瓦)，相當(dāng)于100萬億個燈泡同時在極短時間發(fā)出閃光。這三個不同的地方建成的三處場地將會專注于不同的領(lǐng)域，匈牙利會專注于阿托秒，羅馬尼亞是核物理，捷克則是高能粒子束。中國、日本、美國和俄羅斯正在籌劃更新更強(qiáng)大的設(shè)施。

　　從真空中的量子物理學(xué)研究到用來切除人體內(nèi)癌細(xì)胞的強(qiáng)質(zhì)子束產(chǎn)品，激光技術(shù)的未來發(fā)展不會止步于此，新的疆域正在不斷被開拓，人們已經(jīng)在設(shè)想下一步的進(jìn)展。而這也正是阿爾弗雷德·諾貝爾的精神所在——堅持不懈，獻(xiàn)身科學(xué)，為全人類做貢獻(xiàn)。

　　相關(guān)期刊推薦：《激光技術(shù)》(雙月刊)創(chuàng)刊于1971年，本刊是經(jīng)國家科學(xué)技術(shù)部(原國家科委)批準(zhǔn)向國內(nèi)外公開發(fā)行的學(xué)術(shù)性刊物，是我國無線電電子學(xué)、電信技術(shù)類及物理類中文核心期刊，屬國家級科學(xué)技術(shù)刊物。本刊從科學(xué)技術(shù)的角度反映激光在我國國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物、醫(yī)學(xué)、通信及人們生活相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用，進(jìn)展及成果，跟蹤國外高技術(shù)發(fā)展;密切注視各國激光技術(shù)的研制狀況和動態(tài)，為我國科研、教學(xué)、生產(chǎn)和應(yīng)用提供最新信息。

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