激光物理学中的开创性发明——2018年诺贝尔物理学奖简介

本刊资料室

1 2018年诺贝尔物理学奖揭晓

2018年诺贝尔物理学奖授予:阿什金、莫罗与斯特里克兰，以表彰他们在激光物理学研究中的开创性发明．

1.1 阿瑟·阿斯金

图1 阿瑟·阿斯金

阿瑟·阿斯金(Arthur Ashkin,1922- )，美国物理学家， 1952年获得康奈尔大学物理博士学位．他在20世纪60年代后期，开始了用激光操纵微粒的研究，最终导致光学镊子的发明及在生物系统中的应用，因而获得2018年一半的诺贝尔物理学奖．他是至今诺贝尔奖最年长的获得者．

1.2 热拉尔·莫罗

图2 热拉尔·莫罗

热拉尔·莫罗(Gérard Mourou，1944- )，法国物理学家，美国密歇根大学的名誉教授，是该大学超快光学科学中心的创始主任．他与他的学生唐娜·斯特里克兰一起，共同发明了一种称为“啁啾脉冲放大”的技术(CPA)．这种技术使得短激光脉冲能达到极高的峰值功率，並得到广泛应用，从而获得2018年另一半的诺贝尔物理学奖．

1.3 唐娜·斯特里克兰

唐娜·斯特里克兰(Donna Strickland，1959- )，加拿大物理学家．1985年，她与她的博士生导师莫

图3 唐娜·斯特里克兰

罗发表了一篇重要的论文，成为后来称为“啁啾脉冲放大”技术(CPA)的基础．因此，斯特里克兰成为CPA技术的共同发明者，与导师分享2018年另一半诺贝尔物理学奖，是第三位获得诺贝尔物理学奖的女姓．

2 光学镊子的发明及应用

2.1 从科幻作品中引发的梦想

20世纪60年代开播的《星际迷航》系列中，牵引光束可以用来取回物体，甚至是太空中的小行星，而无需与物体接触．从这种纯粹科幻中，阿什金产生了一个梦想：在现实中，能否用光束用来移动物体？

2.2 光学镊子的工作原理

激光镊子是利用激光与物质间进行动量传递时的力学效应形成光学势阱而形成的．当一束强汇聚的光场作用于透明粒子，粒子的折射率大于周围介质的折射率时，梯度力会把粒子推向光场的最强处．在光束传播方向上，光对粒子不仅会产生轴向的推力，还会产生逆轴向的拉力，从而形成光学势阱，实现对粒子的捕获．

2.3 阿瑟·阿斯金的主要贡献

20世纪60年代，阿斯金在贝尔实验室从事用激光操纵微粒的研究．1967年，他发现可以用激光束将小型(微米大小)乳胶球推入水中；还发现，这些球体从光束的边缘被拉到中心．随后，阿什金将另一束光束从另一边聚焦到球体上．这两束光将球体固定在原地，形成了一个光学势阱．这种能捕获微粒的光学势阱，后被称为光学镊子．1987年，阿什金取得了重大突破，他用光镊在不伤害活细菌的情况下捕获了它们．

2.4 光学镊子的广泛应用

光学镊子的发明及进一步完善，使研究人员可在不接触研究对象的情况下，对实验物体进行观测、翻转、切割和推拉等技术操作，从而得到广泛应用．目前，光学镊子已成为许多实验室中的重要设备，用来研究微观现象，特别是生物过程，如单个蛋白、分子马达、DNA或细胞内部的运作等．

3 “啁啾脉冲放大” 技术的发明及应用

3.1 激光技术发展中的瓶颈

激光能以脉冲的形式发射出来．自从20世纪60年代出现以来，研究者们就试图创造出更强的脉冲．然而，到了20世纪80年代中期，在技术上遇到重大困难：对于短脉冲而言，再增加光强，就会把激光器件烧毁．

3.2 “啁啾脉冲放大” 技术的发明

为了克服激光技术发展中的上述瓶颈，1985年，莫罗与斯特里克兰发明了一种巧妙的方法，在不破坏激光器件的情况下，使短激光脉冲放大到极高的峰值功率成为可能．这种后来被称为“啁啾*为什么叫“啁啾”？对脉冲进行编码时，其载频在脉冲持续时间内线性地增加，当将脉冲变到音频时，会发出一种声音，听起来像鸟叫的啁啾声，故名“啁啾”．脉冲放大”技术的工作原理如下：系统分为振荡器、展宽器、放大器和压缩器等，如图4所示．

图4 啁啾脉冲放大技术(CPA)原理

其关键操作为：对振荡器输出的超短飞秒(皮秒)脉冲，利用展宽器将脉冲宽度在时域上展宽至百皮秒甚至纳秒量级，这样不仅极大降低了峰值功率，而且保证了单位面积上的能量密度；然后在放大器中进行放大，这样既降低了相关元件损伤的风险，还避免了增益饱和等许多不利的非线性效应，有利于高效吸收增益介质储存能量；等获得较高的能量以后，再通过压缩器将脉冲宽度压缩回飞秒(皮秒)量级．

3.3 “啁啾脉冲放大” 技术的广泛应用

激光强度的提高带来了广泛的应用，包括精密加工、激光医疗、超快现象等，比如在激光加工中，利用CPA技术产生的激光可以高质量地切割手机屏幕、修复集成电路元件等；在医疗中，可以用来治疗近视眼、白内障、光学断层扫描成像；利用超短超强激光与物质相互作用，可以快速地将电子电离，产生远高于原子内场的超高电场、极高的瞬态磁场等,进行诸多物理问题研究．

当时，斯特里克兰在罗切斯特大学做博士后，莫罗是她的导师．他们的工作发表在一个并不是特别出名的一个杂志——Optics Communication上．第一作者是斯特里克兰．尽管杂志不出名，但由于论文的重要意义，很快就引起了激光界的广泛重视，许多实验室开始使用此技术进行超短脉冲激光能量的放大．

追求更高的激光强度，是激光研究者最重要的使命之一．CPA的发明与实施，促进了激光强度的突破性进展：这项技术从发明到现在已经33年，却依然是非常热门、非常前沿的激光研究工作之一，并持续推进着激光向更高的强度提高．目前最高强度的激光，就是用这个技术生产的．毋庸置疑，它引领了激光技术发展的前沿．

激光强度的提高带来了很多前所未有的应用，使以前无法开展的工作得以开展，以前不存在的应用得以开展，包括精密加工、激光医疗、超快现象等，比如在激光加工中，利用CPA技术产生的超快激光可以高质量的切割手机屏幕、修复集成电路元件等．在医疗中，可以用来治疗近视眼、白内障、光学断层扫描成像(OCT)．

其实，CPA技术最强大和挑战性的应用是激光物理．利用超短超强激光与物质相互作用，可以快速的将电子电离，产生远高于原子内场的超高电场，并形成极高的瞬态磁场、加速梯度、等离子体密度等，并产生中子，驱动核反应．

以前的激光因为强度不够，所以只能产生有限的电离子体．现在激光能够产生很强的等离子体，创造极端的物理条件，将质子、电子加速到MeV，GeV的能量，推动了激光与许多前沿物理学科的交叉，在基础物理、核物理、高能物理等领域有着广泛的应用，可以是CPA技术是推动物理学前沿发展的重要推手．