驾驭“最亮的光”

杨先碧

近100年来，激光是继核能、电脑、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”。自从激光被发明以来，科学家就在不断提升它的性能、开发它的新功能，取得了一个又一个令人瞩目的成果。美国科学家阿瑟·阿什金、法国科学家热拉尔·穆鲁以及加拿大科学家唐娜·斯特里克兰，就是激光研究领域的佼佼者，他们因善于驾驭激光而获得了2018年诺贝尔物理学奖。

把激光打造成镊子

如何抓取单个细胞、细菌、分子等尺寸很小的东西，是一件十分困难的任务，难得超出我们的想象。究其原因，不光是因为这些小东西小到必须依赖电子显微镜才能看到，更令人烦恼的是，这些小东西并不是乖乖地待在那里等你去抓取，而是不停地在一个小范围内四处乱窜。这样一来，科学家很难抓住它们，也就难以对它们做较为深入的研究。 1987年，阿什金发现了一种方法，可以讓那些并不安分守己的小家伙束手就擒。这种方法就是利用激光做镊子，科学家称之为光镊。需要说明的是，光镊只是一个抓取工具，它本身没有显微作用。也就是说，光镊实际上是安装在显微镜上的一个辅助研究工具。

虽然名为光镊，但是和我们平常使用的镊子相比，无论是外表还是使用原理，都大不相同。实际上，光镊并非用两道激光来夹小东西，而是用一道强度适宜的激光束形成一个陷阱（更加学术的说法是三维势阱）。如果以激光束形成光场的中心划定一个几微米方圆的区域，你将会观察到一旦微小物体进入这个区域，就会自动迅速地坠落到光场的中心，就像猎物坠入陷阱一样。因此，科学家又把困住物体的区域称为光阱，相应的技术称为光学捕捉。光镊将细胞、分子等小东西关在这个陷阱里，让它们不能乱动。此时，我们就可以对这些小东西进行更进一步的研究了。

发明光镊之后，阿什金用它捕捉到了一个活的细菌，而且没有给这个细菌带来任何伤害。然后，他就可以固定这个细菌进行细菌内的研究，也可以移动它到指定位置，以便研究细菌和生活环境的关系。在没有光镊之前，科学家很难固定细胞、细菌、病毒等微小的“活物”，通常得“弄死”（灭杀）它们后进行研究。有了光镊，科学家可以操纵和移动分子、病毒和其他活细胞，还有显微世界中的其他小东西。

瑞典皇家科学院院士埃娃·林德罗特接受采访时说：“有了这种光镊，我们能够抓取分子，把它们移动到你想要的地方，并对它们展开操作。这是非常实用的工具，事实上我们也经常使用它。”如今，在许多生物或医学实验室中，光镊已经是标配的仪器设备。光镊不仅应用于生物学，在物理学、化学、材料学等领域也有广泛的应用。

让激光变强变快

现在医院用激光做手术已经是较为常见的事情了，比如一些近视眼患者会去医院做激光手术，对角膜进行修正。然而，激光手术用的激光并非普通的由激光器发出来的激光，而是经过处理后的激光。直接用普通激光做手术，失败率会非常高，而且患者感受的痛苦会很大。因为普通激光功率相对较小、脉冲波长相对较大，对角膜的切割精度较低、切割范围过大，甚至可能误伤角膜周围的眼组织。啁啾脉冲放大技术出现之后，激光眼科手术变得可能了。

1985年，穆鲁和斯特里克兰发明了一种方法，可以让激光的脉冲波长缩短，从而让激光的功率增强，他们把这种方法命名为啁啾脉冲放大。所谓啁啾，原本是指鸟叫声，但是在通信领域，它有其特殊的含义。在初期的通信研究中，当脉冲信号变到音频时，会发出一种声音，听起来像鸟叫的啁啾声，故名“啁瞅”。穆鲁等人发明的啁啾脉冲放大技术，就是让激光的脉冲发生快速的变化。

更强更快不仅是体育界的口号，也是激光科学家的追求目标。当时，众多的科学家一味想提升功率，就是不断地放大激光，然后再加以压缩，以获得更强更快的激光，但是这个思路并没有带来理想中的效果，因为过大的功率会将作为激光器核心部件的放大元件烧毁，导致整台仪器报废。与众不同的是，穆鲁他们采用了一种欲擒故纵的方法。当时，实验小组中的一名研究助理威廉姆斯提供了一个新的思路：是否可以先缩小激光功率再放大呢？后来的研究证明，这个思路是正确的。穆鲁等人先将激光拉伸，拉伸之后功率变小，就可以顺利地通过放大元件，将放大之后的拉伸激光再压缩，就可以获得短脉冲、高功率激光束了。当时，正在攻读博士学位的斯特里克兰在导师穆鲁的指导下，顺利地完成了这个实验，而威廉姆斯因为没有参与实验而与诺贝尔奖无缘。

林德罗特院士评价说：“这项研究涉及如何让激光变得更强。有了强大的激光，我们可以做很多实际的事情。比如，精准、低成本地为粒子加速;强激光带来的短脉冲，又可帮助我们以简单且尽可能不损伤眼球的方式来矫正视力。”超强激光在核物理、粒子物理等物理学分支中得到广泛应用，利用这项技术，物理学家制造出超高速相机，利用飞秒量级的脉冲对原子和分子进行拍照，得以更好地洞察微观世界中的秘密。