駕馭“最亮的光”

楊先碧

近100年來，激光是繼核能、電腦、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”“最準的尺”“最亮的光”。自從激光被發(fā)明以來，科學家就在不斷提升它的性能、開發(fā)它的新功能，取得了一個又一個令人矚目的成果。美國科學家阿瑟·阿什金、法國科學家熱拉爾·穆魯以及加拿大科學家唐娜·斯特里克蘭，就是激光研究領(lǐng)域的佼佼者，他們因善于駕馭激光而獲得了2018年諾貝爾物理學獎。

把激光打造成鑷子

如何抓取單個細胞、細菌、分子等尺寸很小的東西，是一件十分困難的任務(wù)，難得超出我們的想象。究其原因，不光是因為這些小東西小到必須依賴電子顯微鏡才能看到，更令人煩惱的是，這些小東西并不是乖乖地待在那里等你去抓取，而是不停地在一個小范圍內(nèi)四處亂竄。這樣一來，科學家很難抓住它們，也就難以對它們做較為深入的研究。 1987年，阿什金發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以讓那些并不安分守己的小家伙束手就擒。這種方法就是利用激光做鑷子，科學家稱之為光鑷。需要說明的是，光鑷只是一個抓取工具，它本身沒有顯微作用。也就是說，光鑷實際上是安裝在顯微鏡上的一個輔助研究工具。

雖然名為光鑷，但是和我們平常使用的鑷子相比，無論是外表還是使用原理，都大不相同。實際上，光鑷并非用兩道激光來夾小東西，而是用一道強度適宜的激光束形成一個陷阱（更加學術(shù)的說法是三維勢阱）。如果以激光束形成光場的中心劃定一個幾微米方圓的區(qū)域，你將會觀察到一旦微小物體進入這個區(qū)域，就會自動迅速地墜落到光場的中心，就像獵物墜入陷阱一樣。因此，科學家又把困住物體的區(qū)域稱為光阱，相應(yīng)的技術(shù)稱為光學捕捉。光鑷將細胞、分子等小東西關(guān)在這個陷阱里，讓它們不能亂動。此時，我們就可以對這些小東西進行更進一步的研究了。

發(fā)明光鑷之后，阿什金用它捕捉到了一個活的細菌，而且沒有給這個細菌帶來任何傷害。然后，他就可以固定這個細菌進行細菌內(nèi)的研究，也可以移動它到指定位置，以便研究細菌和生活環(huán)境的關(guān)系。在沒有光鑷之前，科學家很難固定細胞、細菌、病毒等微小的“活物”，通常得“弄死”（滅殺）它們后進行研究。有了光鑷，科學家可以操縱和移動分子、病毒和其他活細胞，還有顯微世界中的其他小東西。

瑞典皇家科學院院士埃娃·林德羅特接受采訪時說：“有了這種光鑷，我們能夠抓取分子，把它們移動到你想要的地方，并對它們展開操作。這是非常實用的工具，事實上我們也經(jīng)常使用它?！比缃?，在許多生物或醫(yī)學實驗室中，光鑷已經(jīng)是標配的儀器設(shè)備。光鑷不僅應(yīng)用于生物學，在物理學、化學、材料學等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。

讓激光變強變快

現(xiàn)在醫(yī)院用激光做手術(shù)已經(jīng)是較為常見的事情了，比如一些近視眼患者會去醫(yī)院做激光手術(shù)，對角膜進行修正。然而，激光手術(shù)用的激光并非普通的由激光器發(fā)出來的激光，而是經(jīng)過處理后的激光。直接用普通激光做手術(shù)，失敗率會非常高，而且患者感受的痛苦會很大。因為普通激光功率相對較小、脈沖波長相對較大，對角膜的切割精度較低、切割范圍過大，甚至可能誤傷角膜周圍的眼組織。啁啾脈沖放大技術(shù)出現(xiàn)之后，激光眼科手術(shù)變得可能了。

1985年，穆魯和斯特里克蘭發(fā)明了一種方法，可以讓激光的脈沖波長縮短，從而讓激光的功率增強，他們把這種方法命名為啁啾脈沖放大。所謂啁啾，原本是指鳥叫聲，但是在通信領(lǐng)域，它有其特殊的含義。在初期的通信研究中，當脈沖信號變到音頻時，會發(fā)出一種聲音，聽起來像鳥叫的啁啾聲，故名“啁瞅”。穆魯?shù)热税l(fā)明的啁啾脈沖放大技術(shù)，就是讓激光的脈沖發(fā)生快速的變化。

更強更快不僅是體育界的口號，也是激光科學家的追求目標。當時，眾多的科學家一味想提升功率，就是不斷地放大激光，然后再加以壓縮，以獲得更強更快的激光，但是這個思路并沒有帶來理想中的效果，因為過大的功率會將作為激光器核心部件的放大元件燒毀，導(dǎo)致整臺儀器報廢。與眾不同的是，穆魯他們采用了一種欲擒故縱的方法。當時，實驗小組中的一名研究助理威廉姆斯提供了一個新的思路：是否可以先縮小激光功率再放大呢？后來的研究證明，這個思路是正確的。穆魯?shù)热讼葘⒓す饫欤熘蠊β首冃?，就可以順利地通過放大元件，將放大之后的拉伸激光再壓縮，就可以獲得短脈沖、高功率激光束了。當時，正在攻讀博士學位的斯特里克蘭在導(dǎo)師穆魯?shù)闹笇?dǎo)下，順利地完成了這個實驗，而威廉姆斯因為沒有參與實驗而與諾貝爾獎無緣。

林德羅特院士評價說：“這項研究涉及如何讓激光變得更強。有了強大的激光，我們可以做很多實際的事情。比如，精準、低成本地為粒子加速;強激光帶來的短脈沖，又可幫助我們以簡單且盡可能不損傷眼球的方式來矯正視力?！背瑥娂す庠诤宋锢?、粒子物理等物理學分支中得到廣泛應(yīng)用，利用這項技術(shù)，物理學家制造出超高速相機，利用飛秒量級的脈沖對原子和分子進行拍照，得以更好地洞察微觀世界中的秘密。