解读2018年诺贝尔物理学奖 ——强大的激光(2)

图3 纳秒激光与飞秒激光对比

许多研究需要将短脉冲的功率以几何级数放大,然而峰值功率过强的脉冲光会损害光放大的晶体媒介．2位科学家是如何得到超短超强激光的呢?他们想出了一个非常聪明的办法——先将短的无啁啾脉冲拉伸成长的啁啾脉冲,降低其峰值功率,等放大后,再压缩回短的无啁啾脉冲．这就是啁啾脉冲放大技术的由来．图4是啁啾脉冲放大技术的过程,激光脉冲经过脉冲展宽器被展宽,从而降低其峰值功率,然后再把展宽后的脉冲放大,经过压缩器压缩,就得到了峰值很大的超强超短激光脉冲．早在2010年，《自然》杂志就预测未来10年激光领域可能实现5项重大突破,其中4项与超强超短激光直接相关．当年,《科学》杂志也发专文指出：“这项工作将影响每一项研究,从聚变到天体物理.”除了基础前沿研究领域,这一技术也已被用于工业和医疗等领域,比如新材料加工,乃至飞秒激光眼科手术等．将来这项技术还会有更多应用日益融入人类的生活．

图4 啁啾脉冲放大过程

值得一提的是我国对激光物理和激光技术一直非常重视,它是我国少数长期处于世界前沿的研究领域．激光是1960年发明的,我国在1961年就成功研制了第一台激光器．就布局而言,中国科学院在长春、西安、合肥和上海有4家专业的光学与精密机械研究所,中国科学院物理研究所以及中国工程物理研究院等单位的超强、超短脉冲研究成果也处于世界前列．同时，清华大学正联合其他单位一起,探索利用光镊操控超高真空环境下纳米尺度的晶体,探索宏观物体的量子力学效应．期待我国科学家在未来的科学领域能有突破性的进展．

总之，不管是光镊还是啁啾放大技术，都为我们探索微观世界提供了工具,让我们更准确地了解世界．颁奖词指出,今年诺贝尔物理学奖表彰的是给激光物理学带来革命的发明．激光让观察到极小的东西和极快的进程成为可能,先进的精确仪器开启了全新的研究领域,也在工业和医学领域有广泛应用．相信在不远的未来,这2项开创性的发明能给我们带来更大的利益．

2018年10月2日,北京时间17时30分,正当国内举国欢度国庆,人民处于悠闲的假期时,诺贝尔物理学奖重磅出炉,美国科学家阿瑟·阿什金(ArthurAshkin)、法国科学家杰哈·莫罗(GérardMourou)与加拿大科学家多娜·斯崔克兰(DonnaStrickland)获此殊荣,以表彰他们在激光物理学领域作出的开创性贡献．据统计这是20世纪90年代以来,诺贝尔物理学奖第5次颁给了光学研究成果．图1 获得2018年诺贝尔物理学奖的3位科学家图2 光镊原理到底3位科学家做出了哪些开创性的贡献呢?我们一起来了解一下吧．美国科学家阿瑟·阿什金因提出光镊理论而获得2018年诺贝尔物理学奖一半奖金,他发明了用激光束操纵粒子、原子和分子的光镊．光镊,顾名思义,是一种利用一束光抓住物体的工具．那么看得见摸不着的光,也能成为“镊子”吗?是的,这不是天方夜谭,与传统的机械镊子用来夹持物体一样,光镊是使整个物体受到光的束缚，从而达到“钳”的效果,然后通过移动光束(或改变物体的环境)来迁移物体．那么光是如何夹住物体的呢?因为光有“光力”,光具有粒子性,光子不仅具有能量，还具有动量,当光入射到物体表面,光子被物体吸收或反射时，其动量就要发生变化，根据动量定理可知它受到物体对它的作用力.反之,它也对物体施以力的作用,这就是对物体的光力(lightforce),也叫光压(lightpressure)．普通的白光,例如最常见的太阳光,其实是混合了许多种色光而产生的,光束在各个方向都会有散射．而激光具有高强度、高相干性、高准直性等特点,是光镊技术的最好光源．阿瑟·阿什金于1970年发现当一束激光射向微米微粒时,该微粒会受到一个沿光线传播方向的推力,而且是被拉到了光强最大的光束中心位置,如图2所示．阿什金对此感到很疑惑．他对这个现象的解释是,无论激光束有多么细锐,其强度都会从中心开始向边缘逐渐减弱,激光施加在粒子上的辐射压力也会因此产生变化,将粒子“挤压”在光束的中间．这种辐射压力称之为梯度力,可想而知若用2束激光对射时就可以将微粒夹持住．他进一步发现利用一束会聚激光可以在三维方向上控制微粒,从图2中我们可以看出,由于透镜的加入,粒子被牢牢锁定在焦点的位置——那一点的光强最大．这样就可以很轻松地捕捉和囚禁微粒,甚至是细菌和细胞.在20世纪60年代播出的电视剧《星际迷航》中,牵引光束可以在没有物理接触的情形下,将包括小行星在内的任何物体给取回．在当时,这听起来就是纯粹的科幻,然而阿瑟·阿什金已经将这种科幻变成了现实．阿什金的这一发现有什么用呢?由于光镊可以精准地直接作用于细胞甚至更小的目标,其在生物学方面的应用越来越广泛,为我们观察和控制生命体的内部结构创造了全新的机会．可以想象,现在的癌症目前并没有靶向药物治疗,服用抗癌药物总是有副作用,如果能用光镊夹住癌症细胞,直接杀死癌细胞或者将其修复成正常细胞,且不影响其他正常细胞,那是不是癌症治疗就指日可待了呢?光镊的优势是显而易见的:它是以光形成的一种特殊的工具,相比人们日常用的机械镊子,光镊是“无形”的．机械镊子夹持物体有集中的受力点,而光镊是以光场的形式与物体交换动量的,故夹持细胞是温和的,属非接触性的,不会产生机械损伤．只要选择合适激光的波长和能量,光对捕获的样品是安全的;且活细胞的研究离不开细胞赖以生存的环境,光镊更多的是在液体中工作,能够保持细胞生存的“天然”环境,因此,光镊技术特别适合对活体细胞、细胞器以及生物大分子的操控和研究,为活体研究提供了独特的工具．事实上，就在2个多月前,日本科学家开发出了利用光自由操纵人类的内源性蛋白定位的技术,在全球首次利用光成功操纵了细胞分裂(纺锤体)的排列．虽然我们期待某一天能用激光光镊做手术,但直接用激光做手术刀可不行,因为普通激光的脉冲比较长,会产生很多热量,除了需要做手术的位置外,还会给周围的组织带来损伤．如图3-甲所示,纳秒激光脉冲加热区域较大,且导致破坏的冲击波较大．这就需要一种能量超强而脉冲超短的激光,使得周围组织不受损伤.如图3-乙所示,飞秒(10-15s)激光器产生的短脉冲相对于比其百万倍长的纳秒激光脉冲在材料上产生的损害更少．这就是一起分享今年的另一半诺贝尔物理学奖的2位科学家——莫罗和斯崔克兰对激光的贡献,2位科学家在1985年提出了啁啾脉冲放大技术(chirpedpulseamplification,CPA),这一技术直接导致超短超强飞秒激光的发明．图3 纳秒激光与飞秒激光对比许多研究需要将短脉冲的功率以几何级数放大,然而峰值功率过强的脉冲光会损害光放大的晶体媒介．2位科学家是如何得到超短超强激光的呢?他们想出了一个非常聪明的办法——先将短的无啁啾脉冲拉伸成长的啁啾脉冲,降低其峰值功率,等放大后,再压缩回短的无啁啾脉冲．这就是啁啾脉冲放大技术的由来．图4是啁啾脉冲放大技术的过程,激光脉冲经过脉冲展宽器被展宽,从而降低其峰值功率,然后再把展宽后的脉冲放大,经过压缩器压缩,就得到了峰值很大的超强超短激光脉冲．早在2010年，《自然》杂志就预测未来10年激光领域可能实现5项重大突破,其中4项与超强超短激光直接相关．当年,《科学》杂志也发专文指出：“这项工作将影响每一项研究,从聚变到天体物理.”除了基础前沿研究领域,这一技术也已被用于工业和医疗等领域,比如新材料加工,乃至飞秒激光眼科手术等．将来这项技术还会有更多应用日益融入人类的生活．图4 啁啾脉冲放大过程值得一提的是我国对激光物理和激光技术一直非常重视,它是我国少数长期处于世界前沿的研究领域．激光是1960年发明的,我国在1961年就成功研制了第一台激光器．就布局而言,中国科学院在长春、西安、合肥和上海有4家专业的光学与精密机械研究所,中国科学院物理研究所以及中国工程物理研究院等单位的超强、超短脉冲研究成果也处于世界前列．同时，清华大学正联合其他单位一起,探索利用光镊操控超高真空环境下纳米尺度的晶体,探索宏观物体的量子力学效应．期待我国科学家在未来的科学领域能有突破性的进展．总之，不管是光镊还是啁啾放大技术，都为我们探索微观世界提供了工具,让我们更准确地了解世界．颁奖词指出,今年诺贝尔物理学奖表彰的是给激光物理学带来革命的发明．激光让观察到极小的东西和极快的进程成为可能,先进的精确仪器开启了全新的研究领域,也在工业和医学领域有广泛应用．相信在不远的未来,这2项开创性的发明能给我们带来更大的利益．

文章来源：《应用激光》 网址: http://www.yyjgzz.cn/qikandaodu/2020/1210/397.html