激光成就夢想

施郁

本文對2018年諾貝爾物理學獎的科學背景，內容和意義作較詳細的解讀，并闡述一點個人理解和評論，包括諾貝爾獎官方資料未強調的阿什金的光囚禁思想對于超冷原子物理的意義。

2018年諾貝爾物理學獎授予“激光物理領域的突破性發明”，阿瑟·阿什金（ArthurAshkin）因為“光鑷及其在生物系統中的應用”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，多余的能量轉化為光子輻射出來，能量正比于光子頻率。愛因斯坦最早提出，存在兩種輻射：自發輻射（與外加電磁場無關）和受激輻射（與外加電磁場有關）。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。如果實現讓多數電子處于同一個高能級，即粒子數反轉，將導致受激輻射，產生大量空間和時間上相干的光子，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maser。1960年，梅曼（T.H.Maiman）制造出第一臺光學maser，他受到肖洛和湯斯文章的啟發，但是也超越了后者1964年，湯斯與兩位蘇聯科學家巴索夫（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獎。從這個頒獎詞開始，“光學maser”被改稱為laser，即將maser全稱中的微波（microwave）改為光（light）。后來錢學森將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）獲得諾貝爾物理學獎朱棣文在諾貝爾演講中回憶了他在貝爾實驗室的重要經歷：

我進入激光冷卻和囚禁領域始于我從新澤西默里山搬到霍姆德爾（Holmdel）的分部去領導量子電子學研究室。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。他發現我聽得越來越認真，開始給我讀他的文章。

自學生時代起，阿什金就對光壓感興趣[2]，激光發明之后，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為太陽光的光壓（現在我們知道，這只是部分原因，更重要的是太陽風），他還寫信給伽利略，猜想可以用光壓驅動帆船。150余年前，麥克斯書的電磁理論證明了光確實有動量、能施加壓力，凡爾納在科幻小說中暢想了用光壓驅動星際旅行。蘇聯的齊奧爾科夫斯基（K.Tsiolkovsky）和贊德（F.Zander）也提出太陽帆的想法2010年，日本發射了第一個利用太陽帆技術的“伊卡洛斯（Ikaros）”號飛船。在美國“海盜（Viking）”號火星探測器的運行軌跡設計中也考慮了光壓效應。

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來討論問題?？紤]一束光射進一個小球。光被小球折射，動量改變了。但是光與球的總動量守恒，因此小球得到了動量。單位時間里的動量改變就是它受到的力，這就是牛頓第二定律。所以，光的動量改變導致小球受到光力，這個力叫做散射力。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，這導致還有一個正比于密度梯度的梯度力，朝向高密度區域。巧妙地利用散射力和梯度力，就可以實現囚禁。

1969年，阿什金用聚集的激光移動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介電小球[5]。他們先借助透鏡，將光射進介電小球，小球將光折射。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現大數值孔徑和大角度會聚。

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，成功實現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的工作。

光鑷帶來生命科學的革命

1986年，阿什金開始將光鑷用于生物系統的研究。為了減少對生物系統的損傷，激光需要處于紅外波段。利用光鑷，阿什金實現了囚禁和操縱病毒、細菌、活細胞[7，8]，深入細胞內部而不破壞細胞膜[9]，測量細胞器微觀輸運的驅動力[10]。

光鑷給生命科學提供了一個廣泛使用的革命性工具，可以用來對生物物質進行各種操作，從而可以細致地研究生物體內很多微觀過程，特別是生物體內的各種小“機器”的物理過程，開啟了物理學與生物學的一個交叉領域。典型的應用有：

在生物大分子研究中的應用 利用光鑷，研究單個生物大分子（比如DNA和RNA）的力學和非平衡統計力學性質。

在分子馬達研究中的應用 驅動細菌游動的鞭毛由轉動分子馬達驅動。而線性運動的馬達分子則廣泛存在于細胞內輸運、肌肉收縮以及細胞分裂中，將化學能轉化為運動。利用光鑷，研究人員可以精準測量分子馬達的各種性質，比如軌跡、步長（通常為幾個納米）、停頓時間、力（約為1～100皮牛頓），等等。

生命活動的微觀過程 利用光鑷，可以仔細研究這些微觀物理過程。例如，在DNA到信使RNA的轉錄過程中，馬達RNA聚合酶沿著DNA每個堿基對移動;在信使RNA的轉錄信息基礎上，核糖體對單個信使RNA的編碼子轉譯;蛋白質降解中，蛋白酶打開基底蛋白質。

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，這是諾貝爾獎官方資料未強調的。

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

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

值得一提的是，最近實驗上還實現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。

我們為阿什金能夠健康長壽，終于在96歲時得到姍姍來遲、實至名歸的諾貝爾獎而欣慰。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，用《利用激光進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驗室工作，為貝爾實驗室獲得了第9個諾貝爾獎二貝爾實驗室人才云集，科研人員自主創新，取得了極大的成功。

高強度超短激光脈沖

研究物質中的快速過程，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、鎖模、染料激光器_由于激光脈沖達到了分子中原子運動的時間尺度，所以被用于研究化學反應，1999年的諾貝爾化學獎因此授予澤韋爾（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。再放大則容易導致放大器損壞，除非增大光束半徑以降低強度，而這代價高、重復率低

1985年，當時在光學重鎮羅切斯特大學的穆魯和他的學生斯特里克蘭發明了啁啾脈沖放大（CPA）技術[13]。諾貝爾獎官方材料特別指出：“他們從雷達技術得到啟發，正如湯斯發明maser時受益于他在雷達方面的經驗和光通信方面的研究。”穆魯現任法國巴黎綜合理工學院教授，斯特里克蘭現任加拿大滑鐵盧大學副教授。

CPA技術首先將超短激光脈沖在時間上拉長兒個數量級，功率峰值相應地下降幾個數量級;然后在激光材料中安全地放大;最后在時間上壓縮回原來的長度，已經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間單調增加或下降。

雖然看上去簡單，但是穆魯和斯特里克蘭經過幾年的努力才使設想成為現實[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，能量達到1毫焦。后來穆魯研究組又取得了進一步進展，于1986年產生了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，穆魯研究組實現了從納焦到焦耳的9個數量級的放大[14]。這導致光脈沖強度的大躍進

后來別的研究組提出基于CPA的新技術，例如能產生更高強度的光學參數CPA基于釹玻璃的激光可以產生1焦/皮秒的脈沖，基于摻欽藍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·利弗摩爾國家實驗室產生

現在全世界至少有幾十臺運行或建造中的拍瓦激光器，還有更高功率的激光在計劃中，例如穆魯推動的歐洲合作的極端光設施（Extreme Light Infrastructure）在捷克的分部將有10拍瓦的激光，強度預期可以達到10²³瓦/厘米²。這些裝置可以用來研究一些極端物態，如輻射主導的物質、高壓量子物質、高溫致密物質與超相對論等離子體。這些領域屬于高能量密度物理，對于天體物理和慣性約束聚變都很重要

造價較低的桌面太瓦激光可以用于研究強場物理、阿秒科學、激光等離子體加速，等等。基于CPA的飛秒激光可以用來研究強激光中的物理在原子物理的強場區，光場強度能將原子電離化而產生動能很大的電子。阿秒激光可以探測原子、分子和凝聚態中電子的動力學廠）高強度的激光還可以產生等離子波，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技術還產生適用于工業和醫療的超短激光，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（如光盤）中刻錄信息。醫學上，用激光脈沖制作手術定位板、加強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在激光原位角膜磨削術（laser-assistedin situ keratomileusis，LASIK）中，為了讓準分子激光能到達并改變角膜基質，需要用飛秒激光產生角膜瓣而在某個一體化飛秒激光方案中，不需要產生角膜瓣，而只需要產生一個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

斯特里克蘭研究CPA技術的時候還是研究生她的獲獎讓我想起，1974年休伊什（A.Hewish）因脈沖星的發現分享諾貝爾物理學獎，而做出關鍵貢獻的女研究生貝爾（Jocelyn Bell）無緣獲獎這件事當時就被詬病，一直至今受到非常廣泛的關注。1977年，貝爾自己曾經冷處理此事，說她覺得如果諾貝爾獎授予研究生，會貶低諾貝爾獎，除非在特殊情況下，而她不屬于那些特殊情況。2018年，貝爾得到了基礎科學特別突破獎。

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

按照諾貝爾獎的標準，諾貝爾獎是獎給某一項研究成果的。根據這個原則，研究人員只要在諾獎委員會認為值得獲得諾獎的某一項研究成果中，做出足夠重要的貢獻，就可以也應該獲諾貝爾獎，而與其他學術貢獻與學術水平無關。相反，一些做出若干杰出貢獻的科學大師無緣諾獎，因為其中沒有一項貢獻被諾貝爾獎委員會認為可以獲得諾獎。

阿什金利用激光光壓發明了光鑷，能夠囚禁和控制微粒、細菌、細胞、病毒、分子和原一i=，而且可以不損傷生命物質，為在微觀細節上研究生命過程提供了革命性手段。除了諾貝爾獎頒獎詞明確指出的功績之外，筆者認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展也非常重要。穆魯和斯特里克蘭的C PA技術導致超短激光的強度暴增，為基礎和應用研究帶來很多途徑，并在工業和人類生活中廣泛應用。

[1]https：//www.nobelprize.org（本文多處引用諾貝爾獎官方網站，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.

關鍵詞：諾貝爾物理學獎 激光 光鑷 啁瞅脈沖放大技術