激光物理學中的開創性發明
——2018年諾貝爾物理學獎簡介

本刊資料室

1 2018年諾貝爾物理學獎揭曉

2018年諾貝爾物理學獎授予:阿什金、莫羅與斯特里克蘭，以表彰他們在激光物理學研究中的開創性發明．

1.1 阿瑟·阿斯金

圖1 阿瑟·阿斯金

阿瑟·阿斯金(Arthur Ashkin,1922- )，美國物理學家， 1952年獲得康奈爾大學物理博士學位．他在20世紀60年代后期，開始了用激光操縱微粒的研究，最終導致光學鑷子的發明及在生物系統中的應用，因而獲得2018年一半的諾貝爾物理學獎．他是至今諾貝爾獎最年長的獲得者．

1.2 熱拉爾·莫羅

圖2 熱拉爾·莫羅

熱拉爾·莫羅(Gérard Mourou，1944- )，法國物理學家，美國密歇根大學的名譽教授，是該大學超快光學科學中心的創始主任．他與他的學生唐娜·斯特里克蘭一起，共同發明了一種稱為“啁啾脈沖放大”的技術(CPA)．這種技術使得短激光脈沖能達到極高的峰值功率，並得到廣泛應用，從而獲得2018年另一半的諾貝爾物理學獎．

1.3 唐娜·斯特里克蘭

唐娜·斯特里克蘭(Donna Strickland，1959- )，加拿大物理學家．1985年，她與她的博士生導師莫

圖3 唐娜·斯特里克蘭

羅發表了一篇重要的論文，成為后來稱為“啁啾脈沖放大”技術(CPA)的基礎．因此，斯特里克蘭成為CPA技術的共同發明者，與導師分享2018年另一半諾貝爾物理學獎，是第三位獲得諾貝爾物理學獎的女姓．

2 光學鑷子的發明及應用

2.1 從科幻作品中引發的夢想

20世紀60年代開播的《星際迷航》系列中，牽引光束可以用來取回物體，甚至是太空中的小行星，而無需與物體接觸．從這種純粹科幻中，阿什金產生了一個夢想：在現實中，能否用光束用來移動物體？

2.2 光學鑷子的工作原理

激光鑷子是利用激光與物質間進行動量傳遞時的力學效應形成光學勢阱而形成的．當一束強匯聚的光場作用于透明粒子，粒子的折射率大于周圍介質的折射率時，梯度力會把粒子推向光場的最強處．在光束傳播方向上，光對粒子不僅會產生軸向的推力，還會產生逆軸向的拉力，從而形成光學勢阱，實現對粒子的捕獲．

2.3 阿瑟·阿斯金的主要貢獻

20世紀60年代，阿斯金在貝爾實驗室從事用激光操縱微粒的研究．1967年，他發現可以用激光束將小型(微米大小)乳膠球推入水中；還發現，這些球體從光束的邊緣被拉到中心．隨后，阿什金將另一束光束從另一邊聚焦到球體上．這兩束光將球體固定在原地，形成了一個光學勢阱．這種能捕獲微粒的光學勢阱，后被稱為光學鑷子．1987年，阿什金取得了重大突破，他用光鑷在不傷害活細菌的情況下捕獲了它們．

2.4 光學鑷子的廣泛應用

光學鑷子的發明及進一步完善，使研究人員可在不接觸研究對象的情況下，對實驗物體進行觀測、翻轉、切割和推拉等技術操作，從而得到廣泛應用．目前，光學鑷子已成為許多實驗室中的重要設備，用來研究微觀現象，特別是生物過程，如單個蛋白、分子馬達、DNA或細胞內部的運作等．

3 “啁啾脈沖放大” 技術的發明及應用

3.1 激光技術發展中的瓶頸

激光能以脈沖的形式發射出來．自從20世紀60年代出現以來，研究者們就試圖創造出更強的脈沖．然而，到了20世紀80年代中期，在技術上遇到重大困難：對于短脈沖而言，再增加光強，就會把激光器件燒毀．

3.2 “啁啾脈沖放大” 技術的發明

為了克服激光技術發展中的上述瓶頸，1985年，莫羅與斯特里克蘭發明了一種巧妙的方法，在不破壞激光器件的情況下，使短激光脈沖放大到極高的峰值功率成為可能．這種后來被稱為“啁啾*為什么叫“啁啾”？對脈沖進行編碼時，其載頻在脈沖持續時間內線性地增加，當將脈沖變到音頻時，會發出一種聲音，聽起來像鳥叫的啁啾聲，故名“啁啾”．脈沖放大”技術的工作原理如下：系統分為振蕩器、展寬器、放大器和壓縮器等，如圖4所示．

圖4 啁啾脈沖放大技術(CPA)原理

其關鍵操作為：對振蕩器輸出的超短飛秒(皮秒)脈沖，利用展寬器將脈沖寬度在時域上展寬至百皮秒甚至納秒量級，這樣不僅極大降低了峰值功率，而且保證了單位面積上的能量密度；然后在放大器中進行放大，這樣既降低了相關元件損傷的風險，還避免了增益飽和等許多不利的非線性效應，有利于高效吸收增益介質儲存能量；等獲得較高的能量以后，再通過壓縮器將脈沖寬度壓縮回飛秒(皮秒)量級．

3.3 “啁啾脈沖放大” 技術的廣泛應用

激光強度的提高帶來了廣泛的應用，包括精密加工、激光醫療、超快現象等，比如在激光加工中，利用CPA技術產生的激光可以高質量地切割手機屏幕、修復集成電路元件等；在醫療中，可以用來治療近視眼、白內障、光學斷層掃描成像；利用超短超強激光與物質相互作用，可以快速地將電子電離，產生遠高于原子內場的超高電場、極高的瞬態磁場等,進行諸多物理問題研究．

當時，斯特里克蘭在羅切斯特大學做博士后，莫羅是她的導師．他們的工作發表在一個并不是特別出名的一個雜志——Optics Communication上．第一作者是斯特里克蘭．盡管雜志不出名，但由于論文的重要意義，很快就引起了激光界的廣泛重視，許多實驗室開始使用此技術進行超短脈沖激光能量的放大．

追求更高的激光強度，是激光研究者最重要的使命之一．CPA的發明與實施，促進了激光強度的突破性進展：這項技術從發明到現在已經33年，卻依然是非常熱門、非常前沿的激光研究工作之一，并持續推進著激光向更高的強度提高．目前最高強度的激光，就是用這個技術生產的．毋庸置疑，它引領了激光技術發展的前沿．

激光強度的提高帶來了很多前所未有的應用，使以前無法開展的工作得以開展，以前不存在的應用得以開展，包括精密加工、激光醫療、超快現象等，比如在激光加工中，利用CPA技術產生的超快激光可以高質量的切割手機屏幕、修復集成電路元件等．在醫療中，可以用來治療近視眼、白內障、光學斷層掃描成像(OCT)．

其實，CPA技術最強大和挑戰性的應用是激光物理．利用超短超強激光與物質相互作用，可以快速的將電子電離，產生遠高于原子內場的超高電場，并形成極高的瞬態磁場、加速梯度、等離子體密度等，并產生中子，驅動核反應．

以前的激光因為強度不夠，所以只能產生有限的電離子體．現在激光能夠產生很強的等離子體，創造極端的物理條件，將質子、電子加速到MeV，GeV的能量，推動了激光與許多前沿物理學科的交叉，在基礎物理、核物理、高能物理等領域有著廣泛的應用，可以是CPA技術是推動物理學前沿發展的重要推手．