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2018诺贝尔物理学奖:从科幻照进现实的激光

今年被授予诺奖的发明彻底改变了激光物理学,让极小的物体与极快的过程以全新的方式出现。不止是物理学,化学、生物学与医学都因该发明而获得了可用于基础研究和实际应用的精密仪器。

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阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)发明了光学镊子,能用激光束夹起粒子、原子、分子。它还能夹起病毒、细菌及其他活细胞,并能让它们在检查和处理时不被损坏。阿什金的光学镊子为观察和控制生命的机器创造了全新的机会。

杰哈·莫罗(Gérard Mourou)与多娜·斯崔克兰(Donna Strickland)为人类创造的最短、最强的激光脉冲打下了基础。他们开发的技术开辟了新的研究领域,并带来了广泛的工业和医疗应用。例如,每年有无数次的眼睛手术是由最锋利的激光束完成的。

为了将粒子保持在光束方向上,阿什金又增加了一个高强度透镜来聚焦激光。于是,这些粒子被吸向光强度最大的一点。一个光陷阱诞生了。后来人们称它为光学镊子。

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阿什金造出的光阱


用光捕获活细菌

在多年努力和屡次失败后,光陷阱终于可以捕获单个原子了。这期间曾有过许多困难,其一就是光镊必须足够有力才能捕获原子;其二就是原子的热振动。所以必须找到一种方法,能够减慢原子的运动并把它们局限在一个极小的区域——比句号还要小。到1986年,一切都准备就绪了:光镊搭配上其他的一些手段,就可以实现停下并俘获原子的效果。

随着原子减速发展成独立研究领域,阿瑟·阿什金发现了光镊的一种全新用途——用于研究生物系统。他的发现其实算得上是机遇巧合。他曾经试着用光镊捕获一些更小的粒子,使用的样品是小的花叶病毒。在他碰巧把样品敞着放了一整夜之后,样品上布满了四处乱跑的大粒子。阿什金用显微镜观察到,这些粒子其实是一些无法自由游动的细菌——当它们靠近激光束的时候,被光阱所捕获了。不过阿什金的绿色激光能量太强,把细菌都杀死了。因此要想保持细菌的活性,就得用能量弱一些的激光。使用红外激光的话,细菌就不会受到损伤,并且还可以在光阱里继续繁殖。

据此,阿什金的研究接下来集中在多种不同的细菌、病毒和其他活细胞中。他甚至证明,可以在不破坏细胞膜的情况下碰触到细胞内。阿什金以他的光学镊子开启了一整套全新的应用领域。这个技术带来的一项重要的突破是,能够研究细胞内的分子马达的机械属性;分子马达在细胞里起到了至关重要的作用。第一个利用光镊详细描绘的马达蛋白叫“驱动蛋白”,研究者发现它会沿着细胞骨架的一部分——微管——一步一步地移动。

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分子马达在光阱中前进

斯崔克兰和莫罗的新技术,啁啾(zhōu jiū)脉冲放大技术(CPA),既简单又优雅。取一段短激光脉冲,在时间上拉长,把它放大,再重新压缩成短脉冲。当脉冲拉长之后,峰值功率就会大幅下降,这样就可以在不损坏放大器的前提下放大到更高的倍数。之后把脉冲重新压缩,于是更多的光就被压缩到了很小的空间中,脉冲的强度就随之急剧上升。


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啁啾脉冲放大技术(CPA)


世界上最短的脉冲

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