走近諾貝爾獎(十六)駕馭激光

楊先碧

走近諾貝爾獎

2015年1月，本刊曾在開年第1期開設專欄《走近諾貝爾獎》，此后共連載15期，旨在介紹近年諾貝爾自然科學獎的一些獲獎情況，讓廣大讀者朋友進一步了解科學、愛科學，提高科學素養。

2015年10月，當我們正在制作第12期專欄的時候，傳來了振奮人心的喜訊：我國科學家屠呦呦獲2015年諾貝爾生理學或醫學獎。我們驚喜不已！似乎我們之前開設這個專欄都是為獲此獎、報道此獎所做的鋪墊。于是我們將第13期專欄《走近諾貝爾獎》特設為2016年第1期特別策劃《呦呦之蒿，中國神藥》，介紹了屠呦呦研究青蒿素和獲諾貝爾獎的艱難歷程。

之后，我們收到不少讀者來信，紛紛表示非常喜歡這個欄目。因此，從本期開始，我們將繼續連載這個欄目，用通俗的語言介紹諾貝爾自然科學獎的最新情況。

——編者

二0一六年第一期《呦呦之蒿，中國藥神》

近100年來，激光是繼核能、電腦、半導體之后，人類的又一重大發明，被稱為“最快的刀”“最準的尺”“最亮的光”。激光自發明以來，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

如何抓取單個細胞、細菌、分子等尺寸很小的東西？這是一件十分困難的任務，其難度超過我們的想象。這不僅是因為這些小東西小到我們肉眼看不到，連普通的光學顯微鏡也看不到，得依賴電子顯微鏡才能看到。更為令人煩惱的是，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。因此，科學家要抓住它們很難，也就難以對它們做較為深入的研究。

要是在40年前，想抓住這些小東西，會讓人感覺比登天還難，至少那時候已經有航天員登上了月球。然而，激光的發明卻讓人們捕捉這些小東西變得具有可能性。1917年，愛因斯坦提出，原子受激輻射會發光，他稱之為激光。1960年5月15日，美國科學家西奧多·梅曼制造出紅寶石激光器，并獲得了波長為0.6943微米的激光。這是人類有史以來獲得的第一束激光，梅曼因而也成為世界上第一個將激光引入實用領域的科學家。

1987年，阿什金發現了一種方法，可以讓那些并不安分守己的小家伙束手就擒。這種方法就是利用激光做鑷子，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顯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，無論外表還是使用原理，都大不相同。實際上，光鑷并非用兩道激光來夾小東西，而是用一道強度適宜的激光束形成一個陷阱（更加學術的說法是三維勢阱）。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，你將會觀察到一旦微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，科學家又把困住其中把持物體的區域稱為“光阱”，相應的技術稱作光學捕捉。光鑷將細胞、分子等小東西關在這個陷阱里，讓它們不能亂動。此時，我們就可以對這些小東西進行更進一步的研究了。

光鑷示意圖

光鑷有啥用

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帶來任何傷害。然后，他有時固定這個細菌進行細菌內的研究，也可以移動它到指定位置，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。

瑞典皇家科學院院士埃娃·林德羅特接受采訪時說：“有了這種光鑷，我們能夠抓取分子，把它們移動到你想要的地方，并對它們展開操作。這是非常實用的工具，事實上我們也經常使用它。”

光鑷是加在顯微鏡上的輔助研究設備。

科學家利用激光做鑷子，可以捕捉那些快速運動的單細胞。

阿什金的發明對分子生物學家的幫助最大，讓科研人員可以在不破壞細胞膜的前提下，深入分析細胞內發揮關鍵作用的細胞器和分子器件，并探索細胞內部物質和能量的轉化原理。2013年時，生物學家已能用激光鑷子夾住單個細胞。例如，從血液中分離出單個血紅細胞，用于鐮刀狀血紅細胞貧血癥或瘧疾治療研究。

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。生物學家為了操縱一個生物大分子，往往將兩個涂有肌漿球蛋白的聚苯乙烯小球黏在生物大分子的兩端，稱其為“手柄”。光鑷可以捕獲和操縱這些“手柄”，然后“拎著”這些生物大分子進行各種研究。這種操縱是非常有意義的，比如科學家要把兩個生物大分子融合在一起，首先要做的事情就是把它們抓取出來并放在一起。

當然，光鑷不僅僅應用于生物學，它在物理學、化學、材料學等領域也有廣泛的應用。比如，美國研究人員用光鑷順利地抓取碳納米管。這些碳納米管的直徑只有2～20納米，和一些原子的直徑不相上下。在2013年之前，科學家只能抓取微米級微粒，而到如今，科學家也可以比較自如地抓取納米級微粒。這將極大地促進微觀科學的發展和應用，將會極大地推動高新材料和技術的發展。

讓激光變強變快

現在醫院用激光做手術已經是較為常見的事情了。比如，一些近視眼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普通的由激光器發出來的激光，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強。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。然而，啁啾脈沖放大技術出現之后，激光眼科手術變得可能了。

那么，什么是“啁啾脈沖放大技術”呢？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，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（chirped-pulse amplification）”，英文簡稱為CPA。所謂“啁啾”，原本是指鳥叫聲。但是在通信領域，它有其特殊的含義。在初期的通信研究中，當脈沖信號變到音頻時，會發出一種聲音，聽起來像鳥叫的啁啾聲，故名“啁啾”。后來，科學家把脈沖波長的變化叫啁啾，波長變長叫“上啁啾”，波長變短叫“下啁啾”。

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。與眾不同的是，他們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。后來，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？

激光眼科手術就是用激光對角膜進行修正。

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。當然，說起來容易，做起來難。也是經過很多次的實驗之后，斯特里克蘭才將短激光脈沖適時拉伸以減少峰值功率，然后放大它，并最終把它徹底壓縮，從而大幅提高激光脈沖的強度。

為什么要經過拉伸、放大、壓縮這樣一個過程呢？直接對激光放大不是很簡便嗎？的確，最初科學家就是不斷地放大激光，然后再加以壓縮，以獲得更強更快的激光。激光器在1960年問世后，在短短5年時間內，激光器的功率就大大得以提升，不斷出現更高功率的激光器。但是，從那以后的20年時間里，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。

啁啾脈沖放大實驗。

“更強更快”不僅是體育界的口號，也是激光科學家的追求目標。當時，眾多的科學家一味想提升功率，但穆魯等人采取了逆向思維：要是先縮小激光功率，會怎樣呢？他們先將激光拉伸，拉伸之后功率變小，就可以順利地通過放大元件，將放大之后的拉伸激光再壓縮，就可以獲得短脈沖、高功率激光束了。

超強激光有啥用

啁啾脈沖放大技術有什么用呢？因為它提供了讓激光變強的方法。使用這項技術后，脈沖可以短到飛秒量級，功率可以達到大瓦（10億千瓦）量級。正是這項技術的發明，使得超快、超強激光得到快速發展。新的激光技術直接帶來許多行業標準的提升，我們能獲得更強大的電子產品、更安全有效的醫療手段、更高效的太陽能電池、更好的催化劑和更強大的加速器。

林德羅特評價說：“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。”超強激光在核物理、粒子物理等物理學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;利用飛秒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。

在對精密器件或精密材料加工時，超強激光束能夠快速、精準地切割或打孔，讓加工的誤差越來越小，這樣能大大提升精密儀器的性能，在高精尖工業領域發揮突出的作用。激光切割技術是一種擺脫傳統的機械切割、熱處理切割之類的全新切割法，具有更高的切割精度、更低的粗糙度、更靈活的切割方法和更高的生產效率等特點。激光打孔方法作為在固體材料上打孔的方法之一，已成為一項擁有特定應用的加工技術，主要運用在航空、航天與微電子行業中。

超強激光在醫學中也有很重要的應用。激光手術有傳統手術無法比擬的優越性。首先，激光手術不需要住院治療，手術切口小、術中不出血、創傷輕、無瘢痕。例如：眼袋的治療，傳統手術法存在著由于剝離范圍廣、術中出血多、術后愈合慢、易形成瘢痕等缺點，而應用高能超脈沖激光儀治療眼袋，則以它術中不出血，不需縫合，不影響正常工作，手術部位水腫輕，恢復快，無瘢痕等優點，令傳統手術無法比擬。其次，超強激光還能用于制造微米尺度的手術支架，可以用來擴張和加固人體內血管、尿道和其他通路，給數以千萬計的患者帶來了福音。第三，激光驅動的帶電粒子加速器能產生具有高度穿透力的輻射（如x射線或粒子束），這樣的輻射也可以用于癌癥的診斷與治療。將激光聚焦于直徑只有幾毫米的金屬靶點上，就得到一個極小的X射線源。它能探查到非常小的癌細胞群，這樣就可以在腫瘤發展的極早階段對其進行治療。原則上，使用激光加速器可以達到1微米的分辨率，也就是說激光診斷器可以發現肉眼看不到的癌變組織，將癌細胞消滅在搖籃之中。 （責任編輯 張虹）

激光切割技術是一種全新切割法。

超強激光探測微小腫瘤組織。

輝煌人生源于一次加班

在2018年諾貝爾物理學獎的3名獲獎者中，最引人矚目的是59歲的唐娜·斯特里克蘭。因為唐娜的研究經歷和獲獎表明，即使你沒有很強的科研天賦，如果你能努力去爭取和奮斗，你一樣可能走上輝煌的巔峰。

唐娜是歷史上第三位女性諾貝爾物理獎獲得者，前兩位是1903年的瑪麗·居里和1963年的瑪麗亞·戈佩特·邁耶。然而，論及學術地位，唐娜遠遠比不上前兩位，因為她到目前為止最重要的成就是和穆魯一起發明了啁啾脈沖放大技術，而這項技術是她在攻讀博士時在穆魯的指導下完成的。就在獲獎前，唐娜的職稱也不過是加拿大滑鐵盧大學的副教授。

20世紀80年代，超快超強激光是物理學研究中的一大熱門課題。1985年，在紐約羅徹斯特大學攻讀博士學位的唐娜參加了導師穆魯的高強度激光研究。經過了很長時間的研究，他們的課題組進入了難以提升激光功率的困境。有一天，課題組的助理研究員史蒂芬·威廉姆斯好奇地向穆魯提出一個問題：如果光纖和放大器換個順序，會是什么結果？

威廉姆斯提出問題之后，就下班回家了。穆魯卻陷入了沉思，他突然想明白了，威廉姆斯這個問題其實可以轉化為這樣一種思路：將激光拉伸，降低功率后再通過放大器。這樣，就不會因為激光功率過大而燒毀放大器了。想明白之后，穆魯立即召集學生進行實驗。當時，實驗室只有唐娜還在“加班”。于是，唐娜順理成章地協助穆魯來完成這個實驗。當晚，實驗就取得了初步的結果。然后，再進過多日的改進和反復實驗之后，啁啾脈沖放大技術得以完善。

最終，這一研究成果以論文的形式發表在學術期刊《光學通信》雜志上。從此，啁啾脈沖放大技術成為激光研究和應用領域的重要工具，穆魯的學術地位不言而喻，唐娜的學術地位也跟著水漲船高。無論是前期的創意還是后期的設計，唐娜都不是主要貢獻人，她卻以實驗執行者的身份理所當然地被導師列為論文第二作者，因此按照貢獻的順序來說，她是有資格獲得諾貝爾獎的。

除了唐娜外，歷史上還有一些科學家因讀博士期間取得的研究成果而獲得諾貝爾獎獎。以物理學獎為例，就有特霍夫特（1999年獲獎）、施里弗（1972年獲獎）、穆斯堡爾（1961年獲獎）等，均為因博士期間發表的論文或者博士學位論文取得的研究成果獲獎。

獲獎者簡介

阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin），美國物理學家，被稱為激光輻射壓力之父。于1922年在美國紐約出生，1947年于哥倫比亞大學獲得物理學學士學位，1952年于康奈爾大學取得核物理博士學位。1942-1945年任職于哥倫比亞輻射實驗室，1952-1991年任職于貝爾實驗室。

熱拉爾·穆魯（Gerard Mourou），法國物理學家，是法國電氣工程和激光領域的先驅。于1944年在法國阿爾貝維爾出生，1973年獲得博士學位，現為美國密歇根大學的名譽教授。

唐娜·斯特里克蘭（Donna Strickhnd），加拿大物理學家，歷史上第三位獲得諾貝爾物理學獎的女性科學家。于1959年出生在加拿大貴湖，1989年從美國羅徹斯特大學獲得博士學位，現為美國滑鐵盧大學副教授。