激光物理学的革命：让光束干活

　　当地时间10月2日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将2018年诺贝尔物理学奖授予美国科学家亚瑟·阿斯金(Arthur Ashkin)、法国科学家杰哈·莫罗(Gerard Mourou)以及加拿大女性科学家唐娜·斯特里克兰(Donna Strickland)，以表彰他们在激光物理学领域的奠基性贡献和突破性发明。他们将获得金质奖章、证书，并将分享 900万瑞典克朗(约合人民币696万元)奖金，其中阿斯金获得其中一半，莫罗和斯特里克兰共享另外一半。

　　作为诺贝尔奖最重要的奖项，物理学奖一直以来都是公众关注的焦点，而此次的奖励方向虽然出乎大多数预测所料，但也实至名归，三位科学家的研究确实为激光物理学带来了革命性的变化。阿斯金发明的光镊工具能够 “夹”住微小粒子，如原子、病毒以及活细胞等物体。莫罗和斯特里克兰的科研突破则为实现更短和更强的激光脉冲打下了基础。他们发明的啁啾脉冲放大技术，已经成为高强度激光的标准，应用于众多领域。三位获奖者做出的奠基性贡献，不仅使人类得以观察到更多细小事物的变化过程，除此之外，他们更为推进其他许多领域的发展注入了新的动能。

　　没有准备的获奖时刻

　　来自美国贝尔实验室的阿斯金，是迄今为止最高龄的诺贝尔奖得主。据《卫报》报道，他曾一度抱怨过诺贝尔物理学奖忽视了他的科研发现。但当96 岁的阿斯金接到瑞典皇家科学院的通知电话时却说，他暂时不能接受采访，因为他在进行一项最新的研究，正忙着写他的激光论文。

　　阿斯金在纽约布鲁克林长大，顺利进入哥伦比亚大学读书，期间曾作为技术人员为美国军方的雷达设备制造磁控管。大二时，他曾应征入伍准备参加第二次世界大战，但导师席德·米尔曼却看重他的才华，把他列入了“征兵预备队”，得以让阿斯金在战争时期继续在实验室工作。从哥伦比亚大学毕业后，他又考入康奈尔大学攻读核子物理学，并最终获得了博士学位。经人推荐，他进入世界上成就最突出的企业研发机构贝尔实验室工作。

　　20世纪60年代，第一台激光器发明后，阿斯金立即开始在纽约郊外的贝尔实验室中试验这台新设备。他意识到激光可以作为利用光束移动微小粒子的一种完美工具。此后他开始致力于利用激光操纵微粒的工作，并带来了 1986年光镊的发明，正因如此，他被许多人称为“光镊研究领域之父”。

　　莫罗是法国电气工程和激光领域的先驱。他于1944年出生于法国阿尔贝维尔。1973年从巴黎大学获得博士学位后，他前往美国，在圣地亚哥州立大学从事博士后研究工作。1979年至 1988年，莫罗担任罗彻斯特大学的教授，并在此期间完成了得奖成果：啁啾脉冲放大。他在接受采访时说，他喜欢在滑雪时思考问题，他常常去布里斯托尔山滑雪度假村滑雪，在运动过程中往往能够解决一些科研上想不通的问题。2017年他还与台湾大学物理学教授合作，提出了利用镭射和纳米技术打造“类比黑洞”的设想，希望能解决悬宕40年未决的黑洞信息遗失悖论。

　　忆起得知获奖时的情景，莫罗说： “那是一个了不起的时刻，没有人为那个时刻做好准备。当时我在去游泳池的路上，接到了秘书的电话。我的秘书说，你得立刻听个电话，所以不要去游泳了。然后我接到了诺贝尔委员会主席的电话，他说：‘我很高兴地宣布，你获得了与斯特里克兰分享的2018年诺贝尔奖。’随后，各种电话像海啸一般打来。”

　　“这太疯狂了!”诺贝尔物理学奖的第三位获得者斯特里克兰在接到瑞典皇家科学院的电话时脱口而出这句话。斯特里克兰是历史上第三位获得诺贝尔物理学奖的女性，也是时隔 55年再次获得诺贝尔物理学奖的女性，1963年德裔美国女物理学家玛丽亚·格佩特·梅耶因发展了解释原子核结构的数学模型获得此奖，而另一位则是居里夫人。

　　斯特里克兰自称“激光运动员”。她的研究领域虽受到尊敬，但竞争激烈，她的研究内容关乎谁能得到“最短的脉冲，最高的能量，最高的平均功率”。于1997年进入加拿大滑铁卢大学物理系的斯特里克兰曾获得过科特雷尔学者奖和总理杰出研究奖。在美国罗彻斯特大学获得博士学位时，她的导师正是同样获得2018年诺贝尔物理学奖的莫罗。正在那时她和莫罗教授开始研究“啁啾调频脉冲放大”技术。回忆起第一次参观激光实验室时的场景时，她说：“激光的颜色就像圣诞树上色彩斑斓的灯。研究激光的一部分乐趣就在于能与五颜六色的光一起玩耍。”由于斯特里克兰对超快激光特别是啁啾调频脉冲放大和超快非线性光学做出的突出贡献，她最近被任命为美国光学学会会员。

　　她告诉记者，当收到诺贝尔奖委员会的消息后，她的第一反应是：“这太疯狂了!这都不是真的吧!莫罗是我的老师，我非常荣幸能够与老师一起获得这项殊荣，他可是最早启迪我的人!” 当被问到作为史上第三位女诺贝尔物理学奖获奖者有什么感想时，她说： “当然，首先要庆祝女性物理学家在物理学领域取得的成就。当下整个世界发展迅速，而女性成为了一种推动力量，很荣幸我能成为她们中的一员。”

　　光学镊子俘获记

　　20世纪60年代开播的《星际迷航》系列电视剧中有这样的场景，牵引光束可以用来取回物体，甚至是太空中的小行星，而无需物理接触。这与阿斯金一直以来的一个梦想相契合，那就是如果光束可以用来干活、移动物体那有多好。这听起来就像是天方夜谭，因为我们可以感受到阳光是携带能量的，在阳光下会感到热，但却连一丝推力都感觉不到。但它的力量是否足以推动极小的粒子和原子呢?

　　1960年第一台激光器发明后，阿斯金利用新仪器在贝尔实验室开始了实验。他发现，在激光中光波相干地向前传播，而在普通的白光中，光束混合了彩虹的所有颜色，并在每个方向上散射。阿斯金意识到，激光是用光束移动光学表上的激光束 微观粒子的理想工具。于是，他照亮了微米尺寸的透明球体，果然，激光光束立即就能让这些小球移动。

　　同时令阿斯金感到惊讶的是，这些球体被吸到了光束中间，光强度最大的地方。为什么呢?因为不管一束激光多么细锐，它的强度总是会由中心向边缘逐渐减弱，于是激光给粒子的辐射压也会发生变化，将粒子推向光束中间，并把它们维持在中心位置。为了将粒子保持在光束方向上，阿斯金又增加了一个高强度透镜来聚焦激光。于是，这些粒子被吸向光强度最大的一点，一个光陷阱诞生了，这就是后来人们所称的光学镊子。但这样的光学镊子能捕获什么东西呢?

　　经过多年的努力后，光陷阱终于可以捕获单个原子了。这期间曾有过许多困难，其一就是光镊必须足够有力才能捕获原子，其二就是原子的热振动。所以必须找到一种方法，能够减慢原子的运动并把它们局限在一个极小的，比句号还要小的区域上。到1986年，一切都准备就绪了，光镊搭配了其他的一些手段，终于实现了俘获原子的效果。

　　随着原子减速技术发展成一门独立的研究领域，阿斯金又发现了光镊的一种全新用途，即用于研究生物系统。他的发现其实算得上是一种机缘巧合。在光学镊子成功捕获到单个原子后，他曾试着用光镊捕获一些更小的粒子，使用的样品是小的花叶病毒。

　　在他碰巧把样品敞着放了一整夜之后，样品上就布满了四处乱跑的大粒子。阿斯金用显微镜观察到，这些粒子其实是一些无法自由游动的细菌，当它们靠近激光束的时候，就被光镊捕获了。不过阿斯金的绿色激光能量太强，把细菌都杀死了。因此要想保持细菌的活性，就得用能量弱一些的激光，使用红外激光的话，细菌就不会受到损伤，并且还可以在光陷阱里继续繁殖。

　　于是，接下来阿斯金的研究对象就集中在了多种不同的细菌、病毒和其他活细胞中。随着研究的深入，他甚至可以做到在不破坏细胞膜的情况下碰触到细胞内。阿斯金以他的光学镊子开启了一整套全新的应用领域。许多研究者受到阿斯金的启发，使用了他的方法并把它做了进一步的完善。

　　如今，光学镊子推动的应用已不计其数，它们能让研究人员不接触到研究对象，就观测、翻转、切割和推拉实验物体。在许多实验室中，光学镊子成为标准设备用来研究生物过程，如单个蛋白、分子马达、DNA或细胞内部的运作。光学全息术便是最近的进展之一，这种技术允许上千镊子同时工作，例如从感染细胞中分离健康的血细胞，而这可以广泛应用于对抗疟疾的研究中。这样，阿斯金一直以来的梦想便在某种程度上得到了实现。

　　力大无比的啁啾脉冲

　　另外两位获奖者的发明——超短和超强的激光脉冲技术，也是他们曾经的梦想照进了现实。

　　技术的灵感来源于一篇科普文章，里面详细描述了雷达和它的长无线电波。不过，无论是从理论上还是实际操作上，要将这个想法转移到更短的光波上都不容易实现。

　　1985年12月，斯特里克兰发表了自己的第一篇科学论文，在其中她描述了这个突破性的概念。当时她从加拿大搬到了美国罗切斯特大学，在那里她开始对激光物理感兴趣，这不仅是因为那些将实验室点亮得如同圣诞树一般的绿色和红色光束，也是因为她的导师莫罗的未来展望。这些展望里有一项已经实现了——把短激光脉冲放大到史无前例的水平。

　　激光是通过一种链式反应创造出来的，在这个过程中，光子会生成更多的光子，它们能以脉冲的形式发射出来。自从约60年前激光被发明开始，研究者们就试图创造出更强的脉冲。然而，到了20世纪80年代中期，这条道路似乎走到了尽头。因为对于短脉冲而言，再增加光强，就会把放大材料烧毁。

　　斯特里克兰和她的导师莫罗的新技术——啁啾脉冲放大技术，是一项既简单又优雅的新技术。取一段短激光脉冲，在时间上拉长，把它放大，再重新压缩成短脉冲。当脉冲拉长之后，峰值功率就会大幅下降，这样就可以在不损坏放大器的前提下放大到更高的倍数。之后把脉冲重新压缩，于是更多的光就被压缩到了很小的空间中，脉冲的强度就随之急剧上升。

　　他们花了很长的时间才将各个步骤成功组合起来，和大多数项目一样，实践和概念上的大量细节给研究带来了很多困难。例如，他们用新到手的一根2.5千米的光纤延展了脉冲，但是另一端却没有光出来，因为光纤在中间的不知哪里断掉了。他们费了很大力气，最终只好勉强使用1.4千米的光纤才获得成功。除此之外，项目中遇到的最主要的难点——保证各步骤的设备间步调一致，延展器和压缩器必须同步，也最终得到了解决。1985年，斯特里克兰和莫罗首次证明了他们两人优雅的理论也能在实践中生效。

　　他们发明的啁啾脉冲放大技术掀起了激光物理学界的革命，成为了之后所有高强度激光器的标准技术，并开启了物理、化学和医学中新领域和新应用的大门。如今，人们可以在实验室里就造出有史以来最短、最强的激光脉冲。

　　那么如何应用这些超短的强脉冲呢?一个早期的应用领域就是，给发生在分子和原子间的事情进行快速照相。在瞬息万变的微观世界里，事情发生得如此之快，以至于很长一段时间里人们只能描述事件之前和之后的场景。但运用短至飞秒级别，也就是十亿分之一秒长的脉冲，曾经瞬间发生的事情也能被看见了。

　　脉冲激光器由于具有极高的功率，又可以产生很强的光学非线性效应，所以当脉冲小到飞秒这种量级的时候，是一种冷加工工具，它非常安全，在眼科手术等医学方面的应用上非常有前途。激光的极高强度也使其成为改变物质性质的工具，绝缘体会因为它转变成导体;而极其锋利的激光束可使在不同材料上极其精细地切割或钻孔成为可能，甚至是在活的生物里，比如：激光可被用作更高效的数据储存，这样数据不仅存储在材料表面，还可以存储在材料内部深挖的小孔里;这种技术也被用来生产手术支架，这些支架是只有微米尺度的金属圆柱体，可以用来对血管、尿道和身体其他通路进行扩张和加固;还有数不清的使用领域未被完全探索。每一次技术进步都使研究者得以深入探索新世界，改变着基础研究和实际应用领域。

　　阿托秒物理就是近几年新出现的研究领域之一。1阿托秒是1秒的十亿分之一的十亿分之一，短于100阿托秒的激光脉冲揭示了电子的神奇世界。电子是化学的主力，它们负责所有物质的光学和电学属性，还负责化学键间的相互作用。现在它们不但可以被观察到，还能被控制。这些新的激光技术将会很快应用于更多场合：更快的电子元件，更高效的太阳能电池，更好的催化剂，更加强有力的粒子加速器，新能源，还有定制药品。

　　在如此充满竞争的领域，没人敢停下继续探索的步伐。斯特里克兰目前在加拿大继续她的研究工作，她的导师莫罗回到法国参与了泛欧激光计划与其他项目。他发起并领导了极限光基础设施(ELI)的早期开发。未来几年内，捷克共和国、匈牙利和罗马尼亚将建成三处场地，设计峰值为10拍瓦(1016瓦)，相当于100万亿个灯泡同时在极短时间发出闪光。这三个不同的地方建成的三处场地将会专注于不同的领域，匈牙利会专注于阿托秒，罗马尼亚是核物理，捷克则是高能粒子束。中国、日本、美国和俄罗斯正在筹划更新更强大的设施。

　　从真空中的量子物理学研究到用来切除人体内癌细胞的强质子束产品，激光技术的未来发展不会止步于此，新的疆域正在不断被开拓，人们已经在设想下一步的进展。而这也正是阿尔弗雷德·诺贝尔的精神所在——坚持不懈，献身科学，为全人类做贡献。

　　相关期刊推荐：《激光技术》(双月刊)创刊于1971年，本刊是经国家科学技术部(原国家科委)批准向国内外公开发行的学术性刊物，是我国无线电电子学、电信技术类及物理类中文核心期刊，属国家级科学技术刊物。本刊从科学技术的角度反映激光在我国国防、工业、农业、生物、医学、通信及人们生活相关领域的研究和应用，进展及成果，跟踪国外高技术发展;密切注视各国激光技术的研制状况和动态，为我国科研、教学、生产和应用提供最新信息。

《激光物理学的革命：让光束干活》

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