駕馭激光

楊先碧

近100年來，激光是繼核能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明。它被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”和“最亮的光”。自激光發(fā)明以來，科學(xué)家就在提升其性能和開發(fā)新功能方面不斷努力，取得了一個(gè)又一個(gè)令人矚目的成果。美國(guó)科學(xué)家阿瑟·阿什金、法國(guó)科學(xué)家熱拉爾·穆魯和加拿大科學(xué)家唐娜·斯特里克蘭是激光研究領(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(xué)獎(jiǎng)。

把激光打造成鑷子

要抓取單個(gè)細(xì)胞、細(xì)菌、分子等尺寸很小的物質(zhì)，難度超乎我們的想象。一個(gè)原因是這些物質(zhì)小到得憑借電子顯微鏡才能得見。更令人煩惱的是，這些物質(zhì)會(huì)不停地在一個(gè)小范圍內(nèi)四處亂竄。

1987年，阿什金發(fā)現(xiàn)了一種可以讓這些不安分的小家伙束手就擒的方法，這種方法就是以激光為鑷子，科學(xué)家稱之為“光鑷”。光鑷實(shí)際上是安裝在顯微鏡上的一個(gè)輔助研究工具。

雖然名為光鑷，但是它和我們平常使用的鑷子，無(wú)論外表還是使用原理都大不相同。實(shí)際上，光鑷并非用兩道激光來夾取物質(zhì)，而是用一道強(qiáng)度適宜的激光束形成一個(gè)陷阱（更加學(xué)術(shù)的說法是三維勢(shì)阱）。以激光束形成光場(chǎng)的中心劃定一個(gè)幾十平方微米的區(qū)域，一旦微小物體進(jìn)入這個(gè)區(qū)域，就會(huì)自動(dòng)而迅速地墜落到光場(chǎng)的中心，就像獵物墜入陷阱一樣。因此，科學(xué)家又把困住其中把持物體的區(qū)域稱為“光阱”，相應(yīng)的技術(shù)則被稱作“光學(xué)捕捉”。光鑷將細(xì)胞、分子等物質(zhì)關(guān)在這個(gè)陷阱里，讓它們不能亂動(dòng)。這樣，我們就可以對(duì)這些物質(zhì)進(jìn)行更進(jìn)一步的研究了。

發(fā)明光鑷之后，阿什金用它捕捉到了一個(gè)活的細(xì)菌，而且并未對(duì)這個(gè)細(xì)菌造成任何傷害。此后，他有時(shí)固定住這個(gè)細(xì)菌對(duì)它進(jìn)行研究，有時(shí)則移動(dòng)它到指定位置，以便研究細(xì)菌和生活環(huán)境的關(guān)系。在沒有光鑷之前，科學(xué)家很難固定細(xì)胞、細(xì)菌、病毒等微小的“活物”，通常得滅殺它們后才能進(jìn)行研究。

如今，在許多生物或醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，光鑷已經(jīng)是標(biāo)配的儀器設(shè)備。光鑷不僅僅應(yīng)用于生物學(xué)，在物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。

讓激光更強(qiáng)更快

現(xiàn)在醫(yī)院采用激光給患者做手術(shù)已經(jīng)是較為常見的事情了。比如，一些近視患者會(huì)去醫(yī)院做激光手術(shù)，對(duì)角膜進(jìn)行修正。然而，激光手術(shù)采用的激光并非直接由激光器發(fā)射的激光，而是經(jīng)過處理后的激光。普通激光功率相對(duì)較小、脈沖波長(zhǎng)相對(duì)較大，對(duì)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)才成為可能。

激光切割

1985年，穆魯和斯特里克蘭發(fā)現(xiàn)一種方法，可以縮短激光的脈沖波長(zhǎng)，來增強(qiáng)激光的功率。他們把這種方法命名為啁啾脈沖放大（Chirped Pulse Amplification，簡(jiǎn)稱CPA）。所謂啁啾，原本是指鳥叫聲。但是在通信工程領(lǐng)域，它有其特殊的含義。在初期的通信研究中，當(dāng)脈沖信號(hào)變到音頻時(shí)，會(huì)發(fā)出一種像鳥叫的啁啾聲，故名“啁啾”。

啁啾脈沖放大實(shí)驗(yàn)

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。起初他們想放大激光的功率，以獲得更強(qiáng)的激光。但是，這個(gè)普遍的思路并沒有帶來理想中的效果。于是這個(gè)實(shí)驗(yàn)小組中的一名研究助理威廉姆斯提供了一個(gè)新的思路：激光的功率是否可以先縮小再放大呢？后來的研究證明，這個(gè)思路是正確的。當(dāng)時(shí)，正在攻讀博士學(xué)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(gè)實(shí)驗(yàn)，而提出這一新思路的威廉姆斯卻因沒有參與實(shí)驗(yàn)而與諾貝爾獎(jiǎng)無(wú)緣。

為什么要經(jīng)過拉伸、放大、壓縮激光這樣一個(gè)過程呢？直接放大激光的功率不是很簡(jiǎn)便嗎？的確，最初科學(xué)家就是不斷地放大激光的功率，然后再加以壓縮，以獲得更強(qiáng)更快的激光。1960年激光器問世后，在短短5年時(shí)間內(nèi)，不斷出現(xiàn)更高功率的激光器。但是，從那以后的20年時(shí)間里，激光器的功率就徘徊不前，因?yàn)檫^大的功率會(huì)將作為激光器核心部件的放大元件燒毀，導(dǎo)致整臺(tái)儀器報(bào)廢。

“更強(qiáng)、更快”不僅是體育界的口號(hào)，也是科學(xué)家的追求目標(biāo)。當(dāng)時(shí)，眾多的科學(xué)家一味地想提升功率，很少有人會(huì)逆向思維。穆魯?shù)热藚s先將激光拉伸，拉伸之后功率變小，這樣激光就可以順利地通過放大元件，然后放大它們，最后將放大之后的拉伸激光再壓縮，就可以獲得短脈沖、高功率的激光束了。

瑞典皇家科學(xué)院院士埃娃·林德羅特對(duì)此評(píng)價(jià)道：“這項(xiàng)研究涉及如何讓激光變得更強(qiáng)。有了強(qiáng)大的激光，我們可以做很多實(shí)際的事情。比如，精準(zhǔn)、低成本地為粒子加速;強(qiáng)激光帶來的短脈沖，又能幫助我們以簡(jiǎn)單且盡可能不損傷眼球的方式來矯正視力。”超強(qiáng)激光在核物理、粒子物理等物理學(xué)分支中得到廣泛應(yīng)用。利用這項(xiàng)技術(shù)，物理學(xué)家制造出超高速相機(jī)，利用飛秒量級(jí)的脈沖對(duì)原子和分子進(jìn)行拍照，人們得以更好地洞察微觀世界中的秘密。