激光成就夢想

施郁

本文對2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)背景，內(nèi)容和意義作較詳細(xì)的解讀，并闡述一點(diǎn)個(gè)人理解和評論，包括諾貝爾獎(jiǎng)官方資料未強(qiáng)調(diào)的阿什金的光囚禁思想對于超冷原子物理的意義。

2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予“激光物理領(lǐng)域的突破性發(fā)明”，阿瑟·阿什金（ArthurAshkin）因?yàn)椤肮忤嚰捌湓谏锵到y(tǒng)中的應(yīng)用”獲得一半，另一半授予熱拉爾·穆魯（GerardMourou）和唐娜·斯特里克蘭（Donna Strickland），表彰他們“生成高強(qiáng)度超短光脈沖的方法”[1]。

原子中電子從高能級躍遷到低能級時(shí)，多余的能量轉(zhuǎn)化為光子輻射出來，能量正比于光子頻率。愛因斯坦最早提出，存在兩種輻射：自發(fā)輻射（與外加電磁場無關(guān)）和受激輻射（與外加電磁場有關(guān)）。通常電子處于低能級，作為受激輻射的逆過程，低能級的電子可以吸收光子而躍遷到高能級。如果實(shí)現(xiàn)讓多數(shù)電子處于同一個(gè)高能級，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，將導(dǎo)致受激輻射，產(chǎn)生大量空間和時(shí)間上相干的光子，聚集在一起，這就是激光（lightamplification by stimulated emission of radiation，laser）。

1953年，湯斯（C.H.Townes）等人制造出第一臺微波激射器（microwave amplification by stimulatedemission of radiation，簡稱maser）。1958年，肖洛（AL.Schawlow）和湯斯將maser原理推廣到紅外和可見光，稱之為光學(xué)maser。1960年，梅曼（T.H.Maiman）制造出第一臺光學(xué)maser，他受到肖洛和湯斯文章的啟發(fā)，但是也超越了后者1964年，湯斯與兩位蘇聯(lián)科學(xué)家巴索夫（N.Basov）和普羅霍羅夫（A.Prokhorov）因“基于laser-maser原理制造出振蕩器和放大器”而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。從這個(gè)頒獎(jiǎng)詞開始，“光學(xué)maser”被改稱為laser，即將maser全稱中的微波（microwave）改為光（light）。后來錢學(xué)森將laser翻譯為激光

從光壓到光鑷

1997年，因“用激光冷卻和囚禁原子的方法”，朱棣文、科恩一塔諾季（C.Cohen-Tannoudji）和菲利普斯（W.D.Phillips）獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)朱棣文在諾貝爾演講中回憶了他在貝爾實(shí)驗(yàn)室的重要經(jīng)歷：

我進(jìn)入激光冷卻和囚禁領(lǐng)域始于我從新澤西默里山搬到霍姆德爾（Holmdel）的分部去領(lǐng)導(dǎo)量子電子學(xué)研究室。我從與在霍姆德爾辦公室隔壁的阿瑟·阿什金的交談中，開始了解他用光囚禁原子的夢想。他發(fā)現(xiàn)我聽得越來越認(rèn)真，開始給我讀他的文章。

自學(xué)生時(shí)代起，阿什金就對光壓感興趣[2]，激光發(fā)明之后，就開始用激光研究光壓。光壓又叫輻射壓（單位面積上的壓力），或者說光力，也就是光射到物體上時(shí)施于物體的力400年前，開普勒就曾猜測彗星尾巴背向太陽是因?yàn)樘柟獾墓鈮海ìF(xiàn)在我們知道，這只是部分原因，更重要的是太陽風(fēng)），他還寫信給伽利略，猜想可以用光壓驅(qū)動(dòng)帆船。150余年前，麥克斯書的電磁理論證明了光確實(shí)有動(dòng)量、能施加壓力，凡爾納在科幻小說中暢想了用光壓驅(qū)動(dòng)星際旅行。蘇聯(lián)的齊奧爾科夫斯基（K.Tsiolkovsky）和贊德（F.Zander）也提出太陽帆的想法2010年，日本發(fā)射了第一個(gè)利用太陽帆技術(shù)的“伊卡洛斯（Ikaros）”號飛船。在美國“海盜（Viking）”號火星探測器的運(yùn)行軌跡設(shè)計(jì)中也考慮了光壓效應(yīng)。

對于宏觀物體或微粒，正如阿什金所喜歡的，我們可以借用牛頓力學(xué)來討論問題?？紤]一束光射進(jìn)一個(gè)小球。光被小球折射，動(dòng)量改變了。但是光與球的總動(dòng)量守恒，因此小球得到了動(dòng)量。單位時(shí)間里的動(dòng)量改變就是它受到的力，這就是牛頓第二定律。所以，光的動(dòng)量改變導(dǎo)致小球受到光力，這個(gè)力叫做散射力。光的密度越大，散射力也越大。另一方面，如果光束不均勻，那么光密的地方受力大，光疏的地方受力小，這導(dǎo)致還有一個(gè)正比于密度梯度的梯度力，朝向高密度區(qū)域。巧妙地利用散射力和梯度力，就可以實(shí)現(xiàn)囚禁。

1969年，阿什金用聚集的激光移動(dòng)了空氣和水中的介電小球，演示了梯度力，并用兩束相向傳播的激光束囚禁了粒子，并提出這個(gè)方法可以用于囚禁原子、分子[3]。后來他還利用光力與重力的平衡，將粒子懸浮起來。1977年，為了囚禁和冷卻原子，阿什金提出全光單束梯度力囚禁的構(gòu)想[4]。這就是光鑷。1985年，阿什金與同事成功地用光鑷囚禁了一個(gè)介電小球[5]。他們先借助透鏡，將光射進(jìn)介電小球，小球?qū)⒐庹凵?。為了使得梯度力能夠抵消散射力，他們借助顯微鏡物鏡來實(shí)現(xiàn)大數(shù)值孔徑和大角度會(huì)聚。

1986年，朱棣文等人與阿什金合作，使用阿什金的方法，并將原子減速冷卻下來，成功實(shí)現(xiàn)了原子的激光冷卻和囚禁[6]。1997年，朱棣文在諾貝爾演講中介紹了阿什金的前期工作，有趣的是，也介紹了阿什金以及他本人將激光囚禁用于生物學(xué)的工作。

光鑷帶來生命科學(xué)的革命

1986年，阿什金開始將光鑷用于生物系統(tǒng)的研究。為了減少對生物系統(tǒng)的損傷，激光需要處于紅外波段。利用光鑷，阿什金實(shí)現(xiàn)了囚禁和操縱病毒、細(xì)菌、活細(xì)胞[7，8]，深入細(xì)胞內(nèi)部而不破壞細(xì)胞膜[9]，測量細(xì)胞器微觀輸運(yùn)的驅(qū)動(dòng)力[10]。

光鑷給生命科學(xué)提供了一個(gè)廣泛使用的革命性工具，可以用來對生物物質(zhì)進(jìn)行各種操作，從而可以細(xì)致地研究生物體內(nèi)很多微觀過程，特別是生物體內(nèi)的各種小“機(jī)器”的物理過程，開啟了物理學(xué)與生物學(xué)的一個(gè)交叉領(lǐng)域。典型的應(yīng)用有：

在生物大分子研究中的應(yīng)用 利用光鑷，研究單個(gè)生物大分子（比如DNA和RNA）的力學(xué)和非平衡統(tǒng)計(jì)力學(xué)性質(zhì)。

在分子馬達(dá)研究中的應(yīng)用 驅(qū)動(dòng)細(xì)菌游動(dòng)的鞭毛由轉(zhuǎn)動(dòng)分子馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。而線性運(yùn)動(dòng)的馬達(dá)分子則廣泛存在于細(xì)胞內(nèi)輸運(yùn)、肌肉收縮以及細(xì)胞分裂中，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)。利用光鑷，研究人員可以精準(zhǔn)測量分子馬達(dá)的各種性質(zhì)，比如軌跡、步長（通常為幾個(gè)納米）、停頓時(shí)間、力（約為1～100皮牛頓），等等。

生命活動(dòng)的微觀過程 利用光鑷，可以仔細(xì)研究這些微觀物理過程。例如，在DNA到信使RNA的轉(zhuǎn)錄過程中，馬達(dá)RNA聚合酶沿著DNA每個(gè)堿基對移動(dòng);在信使RNA的轉(zhuǎn)錄信息基礎(chǔ)上，核糖體對單個(gè)信使RNA的編碼子轉(zhuǎn)譯;蛋白質(zhì)降解中，蛋白酶打開基底蛋白質(zhì)。

光囚禁在超冷原子物理中的特殊意義

阿什金早期的光囚禁工作對于超冷原子物理具有特殊意義，這是諾貝爾獎(jiǎng)官方資料未強(qiáng)調(diào)的。

原子的冷卻與囚禁導(dǎo)致了超冷原子物理的發(fā)展。1995年，威曼（C.Wieman）和康奈爾（E.Cornell）研究組以及克特勒（W.Ketterle）的研究組實(shí)現(xiàn)了玻色一愛因斯坦凝聚，這可能對1997年的諾貝爾獎(jiǎng)授予朱棣文、科恩一塔諾季和菲利普斯起了推動(dòng)作用，而他們自己獲得了2001年的諾貝爾獎(jiǎng)。

早期的超冷原子基本上基于磁阱或者磁光阱。在這些實(shí)驗(yàn)方案中，原子的自旋（磁矩）與外磁場耦合，所以自旋被凍結(jié)，不能體現(xiàn)與自旋相關(guān)的物理。后來，光阱或者說光囚禁被用來研究超冷原子，導(dǎo)致很多豐富的物理。比如，利用光阱實(shí)現(xiàn)了體現(xiàn)自旋重要性的旋量玻色氣;利用光阱還可以方便地用費(fèi)什巴赫共振（Feshbaehresonance）來調(diào)控原子之間的相互作用，由此實(shí)現(xiàn)諸如費(fèi)米子超流、玻色一愛因斯坦凝聚與BCS超流的渡越等量子多體系統(tǒng)。而作為光阱的發(fā)展，光晶格中的原子可以成為強(qiáng)關(guān)聯(lián)多體系統(tǒng)，也可以應(yīng)用于量子模擬和量子信息處理。

值得一提的是，最近實(shí)驗(yàn)上還實(shí)現(xiàn)了用光鑷陣列束縛堿金屬原子或堿土金屬原子。光晶格中，不同格點(diǎn)之間原子之間的距離是固定與此不同的是，光鑷陣列中，不同光鑷中的原子之間的距離可以在小于微米到10微米之間改變[11]。

追根溯源，光阱和光鑷來源于阿什金最初的光囚禁思想。正如阿什金本人說過的，光囚禁思想不是顯然的。阿什金的光囚禁思想對于冷原子物理有特殊的貢獻(xiàn)。

我們?yōu)榘⑹步鹉軌蚪】甸L壽，終于在96歲時(shí)得到姍姍來遲、實(shí)至名歸的諾貝爾獎(jiǎng)而欣慰。阿什金的研究歷程記錄在他的著作中[2]。阿什金教授接受記者采訪時(shí)，用《利用激光進(jìn)行中性粒子的光囚禁和操縱》（OpticalTrappingand Manipulation of' Neutral ParticlesUsing Lasers）的封面對光鑷作了解釋[12]。

阿什金長期在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作，為貝爾實(shí)驗(yàn)室獲得了第9個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)二貝爾實(shí)驗(yàn)室人才云集，科研人員自主創(chuàng)新，取得了極大的成功。

高強(qiáng)度超短激光脈沖

研究物質(zhì)中的快速過程，需要短脈沖激光。為了獲得短脈沖激光，人們用過各種方法，比如所謂的Q開關(guān)、鎖模、染料激光器_由于激光脈沖達(dá)到了分子中原子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間尺度，所以被用于研究化學(xué)反應(yīng)，1999年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)因此授予澤韋爾（A. Zewail）。但是，在這些方法中，脈沖的功率峰值并沒有增加很多，只能將鎖模振蕩器出來的納焦脈沖放大100萬倍到毫焦。再放大則容易導(dǎo)致放大器損壞，除非增大光束半徑以降低強(qiáng)度，而這代價(jià)高、重復(fù)率低

1985年，當(dāng)時(shí)在光學(xué)重鎮(zhèn)羅切斯特大學(xué)的穆魯和他的學(xué)生斯特里克蘭發(fā)明了啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)[13]。諾貝爾獎(jiǎng)官方材料特別指出：“他們從雷達(dá)技術(shù)得到啟發(fā)，正如湯斯發(fā)明maser時(shí)受益于他在雷達(dá)方面的經(jīng)驗(yàn)和光通信方面的研究?！蹦卖敩F(xiàn)任法國巴黎綜合理工學(xué)院教授，斯特里克蘭現(xiàn)任加拿大滑鐵盧大學(xué)副教授。

CPA技術(shù)首先將超短激光脈沖在時(shí)間上拉長兒個(gè)數(shù)量級，功率峰值相應(yīng)地下降幾個(gè)數(shù)量級;然后在激光材料中安全地放大;最后在時(shí)間上壓縮回原來的長度，已經(jīng)放大過的功率峰值隨之變得非常高?！斑保╟hirp）”本來是指鳥鳴聲，后來用來指脈沖信號中頻率隨時(shí)間單調(diào)增加或下降。

雖然看上去簡單，但是穆魯和斯特里克蘭經(jīng)過幾年的努力才使設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)[1，13]。他們最初的方法如下：先將納焦脈沖與單模光纖耦合，拉長到300皮秒，脈沖在光纖中啁啾化，頻率隨時(shí)間而增大，叫做上啁啾;然后將啁啾信號放大;最后，長的凋啾脈沖被雙柵壓縮器壓到2皮秒，能量達(dá)到1毫焦。后來穆魯研究組又取得了進(jìn)一步進(jìn)展，于1986年產(chǎn)生了1太瓦（10¹²瓦）的激光_再后來，他們又采用別人提出的“以一對衍射光柵取代光纖來拉長脈沖”的方法。1988年，穆魯研究組實(shí)現(xiàn)了從納焦到焦耳的9個(gè)數(shù)量級的放大[14]。這導(dǎo)致光脈沖強(qiáng)度的大躍進(jìn)

后來別的研究組提出基于CPA的新技術(shù)，例如能產(chǎn)生更高強(qiáng)度的光學(xué)參數(shù)CPA基于釹玻璃的激光可以產(chǎn)生1焦/皮秒的脈沖，基于摻欽藍(lán)寶石的激光可以得到100飛秒的短脈沖。拍瓦（10¹⁵瓦）脈沖于1999年在勞倫斯·利弗摩爾國家實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生

現(xiàn)在全世界至少有幾十臺運(yùn)行或建造中的拍瓦激光器，還有更高功率的激光在計(jì)劃中，例如穆魯推動(dòng)的歐洲合作的極端光設(shè)施（Extreme Light Infrastructure）在捷克的分部將有10拍瓦的激光，強(qiáng)度預(yù)期可以達(dá)到10²³瓦/厘米²。這些裝置可以用來研究一些極端物態(tài)，如輻射主導(dǎo)的物質(zhì)、高壓量子物質(zhì)、高溫致密物質(zhì)與超相對論等離子體。這些領(lǐng)域?qū)儆诟吣芰棵芏任锢恚瑢τ谔祗w物理和慣性約束聚變都很重要

造價(jià)較低的桌面太瓦激光可以用于研究強(qiáng)場物理、阿秒科學(xué)、激光等離子體加速，等等?；贑PA的飛秒激光可以用來研究強(qiáng)激光中的物理在原子物理的強(qiáng)場區(qū)，光場強(qiáng)度能將原子電離化而產(chǎn)生動(dòng)能很大的電子。阿秒激光可以探測原子、分子和凝聚態(tài)中電子的動(dòng)力學(xué)廠）高強(qiáng)度的激光還可以產(chǎn)生等離子波，在1厘米距離中將電子加速到10億電子伏，這提供了新的加速器原理。

CPA技術(shù)還產(chǎn)生適用于工業(yè)和醫(yī)療的超短激光，特別是對精密度有高要求的情況比如用超短激光脈沖在媒質(zhì)（如光盤）中刻錄信息。醫(yī)學(xué)上，用激光脈沖制作手術(shù)定位板、加強(qiáng)血管及身體中其他通道用的微米金屬圓柱體，等等。約120納焦的飛秒激光還用于近視和散光的屈光手術(shù)在激光原位角膜磨削術(shù)（laser-assistedin situ keratomileusis，LASIK）中，為了讓準(zhǔn)分子激光能到達(dá)并改變角膜基質(zhì)，需要用飛秒激光產(chǎn)生角膜瓣而在某個(gè)一體化飛秒激光方案中，不需要產(chǎn)生角膜瓣，而只需要產(chǎn)生一個(gè)4毫米或更小的切口，然后移除光切割的小透鏡層，改變角膜形狀，修正屈光。

師生合作獲獎(jiǎng)

斯特里克蘭研究CPA技術(shù)的時(shí)候還是研究生她的獲獎(jiǎng)讓我想起，1974年休伊什（A.Hewish）因脈沖星的發(fā)現(xiàn)分享諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，而做出關(guān)鍵貢獻(xiàn)的女研究生貝爾（Jocelyn Bell）無緣獲獎(jiǎng)這件事當(dāng)時(shí)就被詬病，一直至今受到非常廣泛的關(guān)注。1977年，貝爾自己曾經(jīng)冷處理此事，說她覺得如果諾貝爾獎(jiǎng)授予研究生，會(huì)貶低諾貝爾獎(jiǎng)，除非在特殊情況下，而她不屬于那些特殊情況。2018年，貝爾得到了基礎(chǔ)科學(xué)特別突破獎(jiǎng)。

不過聽說貝爾的事情似乎使得諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)從此小心對待師生合作的情形比如發(fā)現(xiàn)脈沖雙星的學(xué)生赫爾斯（R.A.Hulse）和導(dǎo)師泰勒（J.H.Taylor Jr.）分享了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（赫爾斯博十畢業(yè)后就離開了天體物理）。

按照諾貝爾獎(jiǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，諾貝爾獎(jiǎng)是獎(jiǎng)給某一項(xiàng)研究成果的。根據(jù)這個(gè)原則，研究人員只要在諾獎(jiǎng)委員會(huì)認(rèn)為值得獲得諾獎(jiǎng)的某一項(xiàng)研究成果中，做出足夠重要的貢獻(xiàn)，就可以也應(yīng)該獲諾貝爾獎(jiǎng)，而與其他學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)與學(xué)術(shù)水平無關(guān)。相反，一些做出若干杰出貢獻(xiàn)的科學(xué)大師無緣諾獎(jiǎng)，因?yàn)槠渲袥]有一項(xiàng)貢獻(xiàn)被諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)認(rèn)為可以獲得諾獎(jiǎng)。

阿什金利用激光光壓發(fā)明了光鑷，能夠囚禁和控制微粒、細(xì)菌、細(xì)胞、病毒、分子和原一i=，而且可以不損傷生命物質(zhì)，為在微觀細(xì)節(jié)上研究生命過程提供了革命性手段。除了諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)詞明確指出的功績之外，筆者認(rèn)為阿什金的激光囚禁原子的思想對于后來冷原子物理的發(fā)展也非常重要。穆魯和斯特里克蘭的C PA技術(shù)導(dǎo)致超短激光的強(qiáng)度暴增，為基礎(chǔ)和應(yīng)用研究帶來很多途徑，并在工業(yè)和人類生活中廣泛應(yīng)用。

[1]https：//www.nobelprize.org（本文多處引用諾貝爾獎(jiǎng)官方網(wǎng)站，不再一一注明）

[2]Ashkin A.Optical Trapping and Manipulation of Neutral ParticlesUsing Lasers.Singapore：World Scientific，2006.

[3]Ashkin A.Acceleration and trapping of particles by radiation pressure.Physical Review Letters，1970，24（4）：156.

[4]Ashkin A.Trapping of atoms by resonance radiation pressure.PhysicalReview Letters，1978，40（12）：729.

[5]Ashkin A，Dziedzic J M，Bjorkholm J E，（hu S.Observation of asingle-beam gradient force optical trap for dielectric particles.OpticsLetters，1986，11（5）：288-290.

[6]Chu S，Bjorkholm J E，Ashkin A，Cable A.Experimental observation ofoptically trapped atoms.Physical Review Letters，1986，57（3）：314.

[7]Ashkin A，Dziedzic J M.Optical trapping and manipulation of virusesand bacteria.Science，1987，235（4795）：1517

[8]Ashkin A，Dziedzic J M，Yamane T.Optical trapping and manipulationof single cells using infrared laser beams.Nature，1987，330（6150）：769.

[9]Ashkin A，Dziedzic J M.Internal cell manipulation using infrared lasertraps.Proceedings of the National Academy of Sciences，1989，86（20）：7914

[10]Ashkin A，Sch0tze K，Dziedzic J M，et al.Force generation oforganelle transport measured in vivo by an infrared laser trap.Nature，1990，348（6299）：346.

[11]Browaeys，A.Viewpoint：Alkaline Atoms Held with Optical Tweezers.https：//physics.aps.org/articles/v11/135.

[12]https：//www.msn.com/en-us/sports/tennis/96-year-old-ashkin-wins-nobel-prize-for-physics/vi-BBNQxg1

[13]Strickland D，Mourou G.Compression of amplified chirped opticalpulses.Optics Communications，1985，55（6）：447.

[14]Maine P，Strickland D，Bado P，et al.Generation of ultrahigh peakpower pulses by chirped pulse amplification.IEEE Journal ofQuantum electronics，1988，24（2）：398.

關(guān)鍵詞：諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 激光 光鑷 啁瞅脈沖放大技術(shù)