駕馭激光，洞察微觀世界

楊先碧

說到激光，想必很多同學應該不會太陌生。近視激光手術、激光美容等，大大方便了人們的生活。它還被稱為“最快的刀”“最準的尺”“最亮的光”。自從1960年激光被發明后，科學家就在不斷提升其性能，開發其新功能，取得了一個又一個令人矚目的成果。美國科學家阿瑟.阿什金、法國科學家熱拉爾.穆魯以及加拿大科學家唐娜.斯特里克蘭就是激光研究領域的佼佼者，他們因善于駕馭激光而獲得了2018年諾貝爾物理學獎。

把激光打造成鑷子

抓取單個細胞、細菌、分子等尺寸很小的東西，是十分困難的，難得超出我們的想象。這些小東西小到必須依賴電子顯微鏡才能看到，更令人煩惱的是，這些小東西并不是乖乖地待在那里等你去抓取，而是不停地在一個小范圍內四處亂竄。所以，科學家很難抓住它們，也就難以對它們做較為深入的研究。

1987年，阿什金發現了一種發法，可以讓那些并不安分守已的小家伙束手就擒。這種方法就是把激光做成鑷子，科學家稱之為光鑷。需要說明的是，光鑷只是一個抓取工具，它本身沒有顯微作用。也就是說，光鑷實際上是安裝在微鏡上的一個輔助研究工具。

雖然名為光鑷，但是和我們平常使用的鑷子相比，無論是外表還是使用原理，都大不相同。實際上，光鑷并非用兩道光來夾小東西，而是用一道強度適宜的激光束形成一個“陷阱”。如果以激光束形成光場的中心劃定一個幾微米方圓的區域，你將會觀察到一旦小物體進入這個區域，就會自動迅速地墜落到光場的中心，就像獵物墜入陷阱一樣。因此，科學家又把其中把持物體的區域也稱為光阱，相應的技術稱作光學捕捉。光鑷細胞、分子等關在這個陷阱里， 讓它們不能亂動。此時，我們就可以對這些小東西進行更進—步的研究了。

發明光鑷之后，阿什金用它捕捉到了一個活的細菌，而且沒有對這個細菌造成任何傷害。之后，他就可以固定這個細菌進行細菌內的研究，也可以移動細菌到指定位置，以便研究細菌和生活環境的關系。在沒有光鑷之前，科學家很難固定細胞、細菌、病毒等微小的“活物”，通常得“弄死”（滅殺）它們后再進行研究。有了光鑷，科學家可以操縱和移動分子、病毒和其他活細胞，還有顯微世界中的其他小東西。

有了光鑷，就能夠抓取分子，讓它們去哪兒就去哪兒，并對它們展開操作。如今，在許多生物或醫學實驗室中，光鑷已經是標配的儀器設備。除了生物學，光鑷在物理學、化學、材料學等領域也有廣泛的應用。

讓激光變快、變強

現在，醫院用激光做手術已不罕見。比如，一些近視患者會去醫院做激光手術，對角膜進行修正。然而，激光手術用的激光并非由激光器發出來的普通激光，而是經過處理后的激光。直接用普通激光做手術，失敗率會非常高，而且患者感受的痛苦會很大。因為普通激光功率相對較小、脈沖波長相對較大，對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。啁啾脈沖放大技術出現之后，使得激光眼科手術成為可能。

1985年，穆魯和斯特里克蘭發現了一種方法，可以讓激光的脈沖波長縮短，從而讓激光的功率增強。他們把這種方法命名為啁啾脈沖放大。在初期的通信研究中，當脈沖信號變到音頻時，會發出一種聲吉，聽起來像鳥叫的啁啾聲，故名“啁啾”。穆魯等人發明的啁啾脈沖放大技術，就是讓激光的脈沖發生快速的變化。

激光科學家也和運動員一樣，追求“更快、更強”。激光自1960年問世后，短短5年，激光器功率大增。但從那之后的20年里，激光器的功率徘徊不前，因為過大的功率會將作為激光器核心部件的放大元件燒毀，導致整臺儀器報廢。眾多的科學家一味地想提升功率，很少有人會逆向思維要是先縮小激光功率，會怎樣呢？

與眾不同的是，穆魯和斯特里克蘭采用了一種欲擒故縱的方法。他們本意是要放大激光的功率，以獲得更強的激光。但是，這個大家都知道的思路并沒有帶來理想中的效果。當時，這個實驗小組中的一名研究助理威廉姆斯提供了一個新的思路：是否可以先縮小再放大呢？后來的研究證明，這個思路是正確的。當時，正在攻讀博士學位的斯特里克蘭在導師穆魯的指導下，順利地完成了這個實驗，而威廉姆斯因為沒有參與實驗而與諾貝爾獎無緣。 林德羅特院士評價說：“這項研究涉及如何讓激光變得更強。有了強大的激光，我們可以做很多實際的事情。比如，精準、低成本地為粒子加速;強激光帶來的短脈沖，又可幫助我們以簡單且盡可能不損傷眼球的方式來矯正視力?！背瑥娂す庠诤宋锢怼⒘Ｗ游锢淼任锢韺W分支中得到廣泛應用，利用這項技術，物理學家制造出超高速相機，利用飛砂量級的脈沖對原子和分子進行拍照，得以更好地洞察微觀世界中的秘密。

知識鏈接

光鑷對操作對象的要求很寬泛，雖然它只能在微觀世界里工作，但體形在幾十納米到幾十微米的微粒基本都是它的操縱對象。靠著這個優勢，在微觀世界里，光鑷可以做很多工作。

改變微粒狀態。比如，讓不同的細胞聚在—起或者在細胞中注入其他微粒。

“監測”微粒行動。比如，測量一種蛋白質在微管上移動的距離，進而算出它運動過程中消耗的能量。

做微觀世界的“建造師”。比如把一些納米級生物器件組裝在一起。