本刊資料室

1 2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉

2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予:阿什金、莫羅與斯特里克蘭，以表彰他們在激光物理學(xué)研究中的開創(chuàng)性發(fā)明．

1.1 阿瑟·阿斯金

圖1 阿瑟·阿斯金

阿瑟·阿斯金(Arthur Ashkin,1922- )，美國物理學(xué)家， 1952年獲得康奈爾大學(xué)物理博士學(xué)位．他在20世紀(jì)60年代后期，開始了用激光操縱微粒的研究，最終導(dǎo)致光學(xué)鑷子的發(fā)明及在生物系統(tǒng)中的應(yīng)用，因而獲得2018年一半的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．他是至今諾貝爾獎(jiǎng)最年長的獲得者．

1.2 熱拉爾·莫羅

圖2 熱拉爾·莫羅

熱拉爾·莫羅(Gérard Mourou，1944- )，法國物理學(xué)家，美國密歇根大學(xué)的名譽(yù)教授，是該大學(xué)超快光學(xué)科學(xué)中心的創(chuàng)始主任．他與他的學(xué)生唐娜·斯特里克蘭一起，共同發(fā)明了一種稱為“啁啾脈沖放大”的技術(shù)(CPA)．這種技術(shù)使得短激光脈沖能達(dá)到極高的峰值功率，並得到廣泛應(yīng)用，從而獲得2018年另一半的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．

1.3 唐娜·斯特里克蘭

唐娜·斯特里克蘭(Donna Strickland，1959- )，加拿大物理學(xué)家．1985年，她與她的博士生導(dǎo)師莫

圖3 唐娜·斯特里克蘭

羅發(fā)表了一篇重要的論文，成為后來稱為“啁啾脈沖放大”技術(shù)(CPA)的基礎(chǔ)．因此，斯特里克蘭成為CPA技術(shù)的共同發(fā)明者，與導(dǎo)師分享2018年另一半諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，是第三位獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的女姓．

2 光學(xué)鑷子的發(fā)明及應(yīng)用

2.1 從科幻作品中引發(fā)的夢想

20世紀(jì)60年代開播的《星際迷航》系列中，牽引光束可以用來取回物體，甚至是太空中的小行星，而無需與物體接觸．從這種純粹科幻中，阿什金產(chǎn)生了一個(gè)夢想：在現(xiàn)實(shí)中，能否用光束用來移動(dòng)物體？

2.2 光學(xué)鑷子的工作原理

激光鑷子是利用激光與物質(zhì)間進(jìn)行動(dòng)量傳遞時(shí)的力學(xué)效應(yīng)形成光學(xué)勢阱而形成的．當(dāng)一束強(qiáng)匯聚的光場作用于透明粒子，粒子的折射率大于周圍介質(zhì)的折射率時(shí)，梯度力會(huì)把粒子推向光場的最強(qiáng)處．在光束傳播方向上，光對粒子不僅會(huì)產(chǎn)生軸向的推力，還會(huì)產(chǎn)生逆軸向的拉力，從而形成光學(xué)勢阱，實(shí)現(xiàn)對粒子的捕獲．

2.3 阿瑟·阿斯金的主要貢獻(xiàn)

20世紀(jì)60年代，阿斯金在貝爾實(shí)驗(yàn)室從事用激光操縱微粒的研究．1967年，他發(fā)現(xiàn)可以用激光束將小型(微米大小)乳膠球推入水中；還發(fā)現(xiàn)，這些球體從光束的邊緣被拉到中心．隨后，阿什金將另一束光束從另一邊聚焦到球體上．這兩束光將球體固定在原地，形成了一個(gè)光學(xué)勢阱．這種能捕獲微粒的光學(xué)勢阱，后被稱為光學(xué)鑷子．1987年，阿什金取得了重大突破，他用光鑷在不傷害活細(xì)菌的情況下捕獲了它們．

2.4 光學(xué)鑷子的廣泛應(yīng)用

光學(xué)鑷子的發(fā)明及進(jìn)一步完善，使研究人員可在不接觸研究對象的情況下，對實(shí)驗(yàn)物體進(jìn)行觀測、翻轉(zhuǎn)、切割和推拉等技術(shù)操作，從而得到廣泛應(yīng)用．目前，光學(xué)鑷子已成為許多實(shí)驗(yàn)室中的重要設(shè)備，用來研究微觀現(xiàn)象，特別是生物過程，如單個(gè)蛋白、分子馬達(dá)、DNA或細(xì)胞內(nèi)部的運(yùn)作等．

3 “啁啾脈沖放大” 技術(shù)的發(fā)明及應(yīng)用

3.1 激光技術(shù)發(fā)展中的瓶頸

激光能以脈沖的形式發(fā)射出來．自從20世紀(jì)60年代出現(xiàn)以來，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，在技術(shù)上遇到重大困難：對于短脈沖而言，再增加光強(qiáng)，就會(huì)把激光器件燒毀．

3.2 “啁啾脈沖放大” 技術(shù)的發(fā)明

為了克服激光技術(shù)發(fā)展中的上述瓶頸，1985年，莫羅與斯特里克蘭發(fā)明了一種巧妙的方法，在不破壞激光器件的情況下，使短激光脈沖放大到極高的峰值功率成為可能．這種后來被稱為“啁啾*為什么叫“啁啾”？對脈沖進(jìn)行編碼時(shí)，其載頻在脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)線性地增加，當(dāng)將脈沖變到音頻時(shí)，會(huì)發(fā)出一種聲音，聽起來像鳥叫的啁啾聲，故名“啁啾”．脈沖放大”技術(shù)的工作原理如下：系統(tǒng)分為振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器等，如圖4所示．

圖4 啁啾脈沖放大技術(shù)(CPA)原理

其關(guān)鍵操作為：對振蕩器輸出的超短飛秒(皮秒)脈沖，利用展寬器將脈沖寬度在時(shí)域上展寬至百皮秒甚至納秒量級，這樣不僅極大降低了峰值功率，而且保證了單位面積上的能量密度；然后在放大器中進(jìn)行放大，這樣既降低了相關(guān)元件損傷的風(fēng)險(xiǎn)，還避免了增益飽和等許多不利的非線性效應(yīng)，有利于高效吸收增益介質(zhì)儲(chǔ)存能量；等獲得較高的能量以后，再通過壓縮器將脈沖寬度壓縮回飛秒(皮秒)量級．

3.3 “啁啾脈沖放大” 技術(shù)的廣泛應(yīng)用

激光強(qiáng)度的提高帶來了廣泛的應(yīng)用，包括精密加工、激光醫(yī)療、超快現(xiàn)象等，比如在激光加工中，利用CPA技術(shù)產(chǎn)生的激光可以高質(zhì)量地切割手機(jī)屏幕、修復(fù)集成電路元件等；在醫(yī)療中，可以用來治療近視眼、白內(nèi)障、光學(xué)斷層掃描成像；利用超短超強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用，可以快速地將電子電離，產(chǎn)生遠(yuǎn)高于原子內(nèi)場的超高電場、極高的瞬態(tài)磁場等,進(jìn)行諸多物理問題研究．

當(dāng)時(shí)，斯特里克蘭在羅切斯特大學(xué)做博士后，莫羅是她的導(dǎo)師．他們的工作發(fā)表在一個(gè)并不是特別出名的一個(gè)雜志——Optics Communication上．第一作者是斯特里克蘭．盡管雜志不出名，但由于論文的重要意義，很快就引起了激光界的廣泛重視，許多實(shí)驗(yàn)室開始使用此技術(shù)進(jìn)行超短脈沖激光能量的放大．

追求更高的激光強(qiáng)度，是激光研究者最重要的使命之一．CPA的發(fā)明與實(shí)施，促進(jìn)了激光強(qiáng)度的突破性進(jìn)展：這項(xiàng)技術(shù)從發(fā)明到現(xiàn)在已經(jīng)33年，卻依然是非常熱門、非常前沿的激光研究工作之一，并持續(xù)推進(jìn)著激光向更高的強(qiáng)度提高．目前最高強(qiáng)度的激光，就是用這個(gè)技術(shù)生產(chǎn)的．毋庸置疑，它引領(lǐng)了激光技術(shù)發(fā)展的前沿．

激光強(qiáng)度的提高帶來了很多前所未有的應(yīng)用，使以前無法開展的工作得以開展，以前不存在的應(yīng)用得以開展，包括精密加工、激光醫(yī)療、超快現(xiàn)象等，比如在激光加工中，利用CPA技術(shù)產(chǎn)生的超快激光可以高質(zhì)量的切割手機(jī)屏幕、修復(fù)集成電路元件等．在醫(yī)療中，可以用來治療近視眼、白內(nèi)障、光學(xué)斷層掃描成像(OCT)．

其實(shí)，CPA技術(shù)最強(qiáng)大和挑戰(zhàn)性的應(yīng)用是激光物理．利用超短超強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用，可以快速的將電子電離，產(chǎn)生遠(yuǎn)高于原子內(nèi)場的超高電場，并形成極高的瞬態(tài)磁場、加速梯度、等離子體密度等，并產(chǎn)生中子，驅(qū)動(dòng)核反應(yīng)．

以前的激光因?yàn)閺?qiáng)度不夠，所以只能產(chǎn)生有限的電離子體．現(xiàn)在激光能夠產(chǎn)生很強(qiáng)的等離子體，創(chuàng)造極端的物理?xiàng)l件，將質(zhì)子、電子加速到MeV，GeV的能量，推動(dòng)了激光與許多前沿物理學(xué)科的交叉，在基礎(chǔ)物理、核物理、高能物理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，可以是CPA技術(shù)是推動(dòng)物理學(xué)前沿發(fā)展的重要推手．