激光物理學中的開創(chuàng)性發(fā)明
——2018年諾貝爾物理學獎簡介

本刊資料室

1 2018年諾貝爾物理學獎揭曉

2018年諾貝爾物理學獎授予:阿什金、莫羅與斯特里克蘭，以表彰他們在激光物理學研究中的開創(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- )，美國物理學家， 1952年獲得康奈爾大學物理博士學位．他在20世紀60年代后期，開始了用激光操縱微粒的研究，最終導致光學鑷子的發(fā)明及在生物系統(tǒng)中的應用，因而獲得2018年一半的諾貝爾物理學獎．他是至今諾貝爾獎最年長的獲得者．

1.2 熱拉爾·莫羅

圖2 熱拉爾·莫羅

熱拉爾·莫羅(Gérard Mourou，1944- )，法國物理學家，美國密歇根大學的名譽教授，是該大學超快光學科學中心的創(chuàng)始主任．他與他的學生唐娜·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(CPA)．這種技術使得短激光脈沖能達到極高的峰值功率，並得到廣泛應用，從而獲得2018年另一半的諾貝爾物理學獎．

1.3 唐娜·斯特里克蘭

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

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(CPA)的基礎．因此，斯特里克蘭成為CPA技術的共同發(fā)明者，與導師分享2018年另一半諾貝爾物理學獎，是第三位獲得諾貝爾物理學獎的女姓．

2 光學鑷子的發(fā)明及應用

2.1 從科幻作品中引發(fā)的夢想

20世紀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)生了一個夢想：在現(xiàn)實中，能否用光束用來移動物體？

2.2 光學鑷子的工作原理

激光鑷子是利用激光與物質(zhì)間進行動量傳遞時的力學效應形成光學勢阱而形成的．當一束強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，梯度力會把粒子推向光場的最強處．在光束傳播方向上，光對粒子不僅會產(chǎn)生軸向的推力，還會產(chǎn)生逆軸向的拉力，從而形成光學勢阱，實現(xiàn)對粒子的捕獲．

2.3 阿瑟·阿斯金的主要貢獻

20世紀60年代，阿斯金在貝爾實驗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，形成了一個光學勢阱．這種能捕獲微粒的光學勢阱，后被稱為光學鑷子．1987年，阿什金取得了重大突破，他用光鑷在不傷害活細菌的情況下捕獲了它們．

2.4 光學鑷子的廣泛應用

光學鑷子的發(fā)明及進一步完善，使研究人員可在不接觸研究對象的情況下，對實驗物體進行觀測、翻轉(zhuǎn)、切割和推拉等技術操作，從而得到廣泛應用．目前，光學鑷子已成為許多實驗室中的重要設備，用來研究微觀現(xiàn)象，特別是生物過程，如單個蛋白、分子馬達、DNA或細胞內(nèi)部的運作等．

3 “啁啾脈沖放大” 技術的發(fā)明及應用

3.1 激光技術發(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60年代出現(xiàn)以來，研究者們就試圖創(chuàng)造出更強的脈沖．然而，到了20世紀80年代中期，在技術上遇到重大困難：對于短脈沖而言，再增加光強，就會把激光器件燒毀．

3.2 “啁啾脈沖放大” 技術的發(fā)明

為了克服激光技術發(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”？對脈沖進行編碼時，其載頻在脈沖持續(xù)時間內(nèi)線性地增加，當將脈沖變到音頻時，會發(fā)出一種聲音，聽起來像鳥叫的啁啾聲，故名“啁啾”．脈沖放大”技術的工作原理如下：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(CPA)原理

其關鍵操作為：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；然后在放大器中進行放大，這樣既降低了相關元件損傷的風險，還避免了增益飽和等許多不利的非線性效應，有利于高效吸收增益介質(zhì)儲存能量；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” 技術的廣泛應用

激光強度的提高帶來了廣泛的應用，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技術產(chǎn)生的激光可以高質(zhì)量地切割手機屏幕、修復集成電路元件等；在醫(yī)療中，可以用來治療近視眼、白內(nèi)障、光學斷層掃描成像；利用超短超強激光與物質(zhì)相互作用，可以快速地將電子電離，產(chǎn)生遠高于原子內(nèi)場的超高電場、極高的瞬態(tài)磁場等,進行諸多物理問題研究．

當時，斯特里克蘭在羅切斯特大學做博士后，莫羅是她的導師．他們的工作發(fā)表在一個并不是特別出名的一個雜志——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，許多實驗室開始使用此技術進行超短脈沖激光能量的放大．

追求更高的激光強度，是激光研究者最重要的使命之一．CPA的發(fā)明與實施，促進了激光強度的突破性進展：這項技術從發(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)推進著激光向更高的強度提高．目前最高強度的激光，就是用這個技術生產(chǎn)的．毋庸置疑，它引領了激光技術發(fā)展的前沿．

激光強度的提高帶來了很多前所未有的應用，使以前無法開展的工作得以開展，以前不存在的應用得以開展，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技術產(chǎn)生的超快激光可以高質(zhì)量的切割手機屏幕、修復集成電路元件等．在醫(yī)療中，可以用來治療近視眼、白內(nèi)障、光學斷層掃描成像(OCT)．

其實，CPA技術最強大和挑戰(zhàn)性的應用是激光物理．利用超短超強激光與物質(zhì)相互作用，可以快速的將電子電離，產(chǎn)生遠高于原子內(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)動核反應．

以前的激光因為強度不夠，所以只能產(chǎn)生有限的電離子體．現(xiàn)在激光能夠產(chǎn)生很強的等離子體，創(chuàng)造極端的物理條件，將質(zhì)子、電子加速到MeV，GeV的能量，推動了激光與許多前沿物理學科的交叉，在基礎物理、核物理、高能物理等領域有著廣泛的應用，可以是CPA技術是推動物理學前沿發(fā)展的重要推手．