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“摄动”生命大世界,“脉动”激光大领域
——解读2018年诺贝尔物理学奖
2018年12月05日  作者:刘禹   编辑:chunchun   审核:刘纯  版面:A2

  2018年诺贝尔物理学奖被授予了激光物理领域的两项开创性重要工作。其中美国科学家阿瑟·阿什金的贡献是发明了“光镊”这种全新无损伤的操控微小粒子的方法,并被广泛应用于生命科学等研究领域;法国科学家杰拉德·穆鲁和加拿大女科学家唐娜·斯特里克兰的贡献是发明了一种能够产生“高强度、超短脉冲”的方法,叫做“啁啾脉冲光放大”技术,为超快激光的发展奠定了重要的基础。

  11月28日,华师大教授、国家重点研发计划首席科学家吴健在华师大对这两项工作进行了解读,报告会由中科院院士、中科院上海光学精密机械研究所研究员李儒新主持。

  吴健表示,光镊和啁啾脉冲光放大这两项技术,对之后几十年多领域的科学发展产生了广泛而深远的影响,可谓实至名归。这两项技术使得激光向着更强、更快两个极端方向飞速发展,大大拓展了人类认识探索自然的能。

65岁才获奖,目前最高龄

  美国物理学家阿什金发明了利用激光操控原子、分子粒子的“光镊”技术。这一技术通俗的讲,就是将一束激光照射到物体上,在没有任何接触的情况下,精确操控移动物体类似于科幻小说情境的神奇技术。

  “激光相比于生活中常见光源的主要特征是其高度的相干性和方向准直性。我们日常生活中常见的日光灯等光源,它们发的光是向四面八方发散的,而且不相干。”吴健说,在阿什金的年代,激光还是个新鲜的玩意儿,他在实验室用激光照射微小的球体,发现小球能够被移动,并且被拉到了光束的中心位置,也就是光强最高的地方。这是因为,光束中存在强度分布,靠中心的地方强度最高,越往外强度越低,而聚焦激光光束的焦点是强度最高的地方。这些光强的变化,称之为“梯度”,会对小球产生一个推力,将它推到光强最高的地方。利用聚焦的激光光束,可以对微小的颗粒形成一个“光阱”,将颗粒囚禁,称之为“光镊”。

  利用光镊可以捕捉例如细胞、活细菌等生物活体,在无损伤的情况下对他们开展研究,因此在生物医学等领域得到了广泛而深远的发展。目前光镊已经成为了研究蛋白质热分子、DNA、细菌等生物过程的标准仪器。在这一技术的启发下,朱棣文发明了激光俘获冷原子的方法,获得了1997年的诺贝尔物理学奖。

  “阿什金96岁才获得诺贝尔奖,是目前最高龄的诺奖获得者。而他直到65岁才发明‘光镊’技术。”吴健看着场下的学生,笑着说,“所以你们的机会还很多,不要轻言放弃,活到老,学到老,也要研究到老。”

围红围巾开跑车,浪漫又严谨

  “啁啾脉冲光放大技术”(CPA技术)在杰拉德的实验室被发明的时候,唐娜·斯特里克兰还是杰拉德的博士后研究生。上世纪80年代,超短脉冲技术遇到了发展瓶颈。因为要将激光能量局限在非常短的时间尺度,就不可避免的会产生很高的瞬时光强。在能量放大的过程中,激光器里的增益介质由于承受不了这种超高的瞬时光强而被打坏。“类似于一排横向排列的人群通过狭窄的木门的时候,要把木门挤坏而无法顺利通过。”吴健形象地解释说。

  CPA技术非常巧妙地解决了这一问题。这个技术将超短脉冲先“啁啾”起来,类似于让人群纵向排好队依次通过木门。一般超短脉冲都对应一个比较宽的光谱,包含很多颜色(频率)成分。我们可以利用光学元件,将一束超短脉冲中的不同频率成为在时间上分开(即为“啁啾”)。啁啾造成的结果就是原来超短脉冲中的“瞬时光强”被大大降低,因为能量被分散到了更长的时间尺度上。对这种啁啾脉冲进行放大,能够获得更高的能量。之后,利用压缩元件把“啁啾”的脉冲再补偿回去,形成所有频率成分同时到达的超短激光脉冲。这种展宽-放大-压缩的方法,使得人们在不破坏放大介质的前提下能够获得更高的能量,为更短、更强的激光脉冲的发展扫清了道路,彻底革新了激光技术。

  经过几十年的发展,现在世界上能够达到的激光光强将达到10W/cm2,这比世界上第台激光器所能达到的光强高了15个数量级。在中国,上海张江综合性国家科学中心2017年已经建设实现世界领先的10拍瓦超快超强激光科学装置。1拍瓦等于100万瓦,是全球电网平均功率的500倍,相当于全球能耗平均功率的100倍。在时间尺度上,利用超短激光脉冲作为驱动源,实验室里已经能够产生阿秒脉冲(1阿秒=10秒),目前的世界最短的脉冲纪录为43阿秒。利用这样的超短脉冲,能够给原子分子甚至固体内部的超快运动拍电影。“分子电影”已经成为成熟的研究手段,人们甚至能够探究电子运动的奥秘。超短超强激光脉冲在光学、强场物理、高精度加工、化学与生命科学等领域均获得了重要应用。我们日常能够接触到的,比如激光矫正视力手术,就是得益于超快激光技术的发展。

  严谨又浪漫,围红围巾开跑车,这是上海理工大学教授刘一对穆鲁的印象。2015年之前,他曾在由穆鲁担任负责人的法国国家科学研究中心应用光学实验室工作。“这位科学家非常富有想象力,天马行空。”2009年,他曾提出,将激光技术的功率上限推进到200拍瓦,而当时连10拍瓦的水平都还没达到,这一目标在别人看来简直难以想象。在他的倡导和坚持下,欧洲在捷克共和国、匈牙利和罗马尼亚三国边境正在建设极端高强度激光装置。

  “只有怀着初恋般的热情,宗教般的信仰,才能成就某种事业。”刘一觉得,此次诺贝尔物理学奖的3位科学家都有这样的特质。

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