走近诺贝尔奖(十六)驾驭激光

2019-01-24杨先碧

大自然探索 2019年1期

杨先碧

走近諾贝尔奖

2015年1月，本刊曾在开年第1期开设专栏《走近诺贝尔奖》，此后共连载15期，旨在介绍近年诺贝尔自然科学奖的一些获奖情况，让广大读者朋友进一步了解科学、爱科学，提高科学素养。

2015年10月，当我们正在制作第12期专栏的时候，传来了振奋人心的喜讯：我国科学家屠呦呦获2015年诺贝尔生理学或医学奖。我们惊喜不已！似乎我们之前开设这个专栏都是为获此奖、报道此奖所做的铺垫。于是我们将第13期专栏《走近诺贝尔奖》特设为2016年第1期特别策划《呦呦之蒿，中国神药》，介绍了屠呦呦研究青蒿素和获诺贝尔奖的艰难历程。

之后，我们收到不少读者来信，纷纷表示非常喜欢这个栏目。因此，从本期开始，我们将继续连载这个栏目，用通俗的语言介绍诺贝尔自然科学奖的最新情况。

——编者

二0一六年第一期《呦呦之蒿，中国药神》

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”。激光自发明以来，科学家就在不断提升其性能、开发其新功能，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？这是一件十分困难的任务，其难度超过我们的想象。这不仅是因为这些小东西小到我们肉眼看不到，连普通的光学显微镜也看不到，得依赖电子显微镜才能看到。更为令人烦恼的是，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。因此，科学家要抓住它们很难，也就难以对它们做较为深入的研究。

要是在40年前，想抓住这些小东西，会让人感觉比登天还难，至少那时候已经有航天员登上了月球。然而，激光的发明却让人们捕捉这些小东西变得具有可能性。1917年，爱因斯坦提出，原子受激辐射会发光，他称之为激光。1960年5月15日，美国科学家西奥多·梅曼制造出红宝石激光器，并获得了波长为0.6943微米的激光。这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。

1987年，阿什金发现了一种方法，可以让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，科学家又把困住其中把持物体的区域称为“光阱”，相应的技术称作光学捕捉。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。

光镊示意图

光镊有啥用

发明光镊之后，阿什金用它捕捉到了一个活的细菌，而且没有对这个细菌带来任何伤害。然后，他有时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。”

光镊是加在显微镜上的辅助研究设备。

科学家利用激光做镊子，可以捕捉那些快速运动的单细胞。

阿什金的发明对分子生物学家的帮助最大，让科研人员可以在不破坏细胞膜的前提下，深入分析细胞内发挥关键作用的细胞器和分子器件，并探索细胞内部物质和能量的转化原理。2013年时，生物学家已能用激光镊子夹住单个细胞。例如，从血液中分离出单个血红细胞，用于镰刀状血红细胞贫血症或疟疾治疗研究。

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。生物学家为了操纵一个生物大分子，往往将两个涂有肌浆球蛋白的聚苯乙烯小球黏在生物大分子的两端，称其为“手柄”。光镊可以捕获和操纵这些“手柄”，然后“拎着”这些生物大分子进行各种研究。这种操纵是非常有意义的，比如科学家要把两个生物大分子融合在一起，首先要做的事情就是把它们抓取出来并放在一起。

当然，光镊不仅仅应用于生物学，它在物理学、化学、材料学等领域也有广泛的应用。比如，美国研究人员用光镊顺利地抓取碳纳米管。这些碳纳米管的直径只有2～20纳米，和一些原子的直径不相上下。在2013年之前，科学家只能抓取微米级微粒，而到如今，科学家也可以比较自如地抓取纳米级微粒。这将极大地促进微观科学的发展和应用，将会极大地推动高新材料和技术的发展。

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强。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。然而，啁啾脉冲放大技术出现之后，激光眼科手术变得可能了。

那么，什么是“啁啾脉冲放大技术”呢？1985年，穆鲁和斯特里克兰发现了一种方法，可以让激光的脉冲波长缩短，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（chirped-pulse amplification）”，英文简称为CPA。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“啁啾”。后来，科学家把脉冲波长的变化叫啁啾，波长变长叫“上啁啾”，波长变短叫“下啁啾”。

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。与众不同的是，他们采用了一种欲擒故纵的方法。他们本意是要放大激光的功率，以获得更强的激光。但是，这个大家都知道的思路并没有带来理想中的效果。后来，这个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：是否可以先缩小再放大呢？

激光眼科手术就是用激光对角膜进行修正。

后来的研究证明，这个思路是正确的。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。当然，说起来容易，做起来难。也是经过很多次的实验之后，斯特里克兰才将短激光脉冲适时拉伸以减少峰值功率，然后放大它，并最终把它彻底压缩，从而大幅提高激光脉冲的强度。

为什么要经过拉伸、放大、压缩这样一个过程呢？直接对激光放大不是很简便吗？的确，最初科学家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。激光器在1960年问世后，在短短5年时间内，激光器的功率就大大得以提升，不断出现更高功率的激光器。但是，从那以后的20年时间里，激光器的功率徘徊不前，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。

啁啾脉冲放大实验。

“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，但穆鲁等人采取了逆向思维：要是先缩小激光功率，会怎样呢？他们先将激光拉伸，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。

超强激光有啥用

啁啾脉冲放大技术有什么用呢？因为它提供了让激光变强的方法。使用这项技术后，脉冲可以短到飞秒量级，功率可以达到大瓦（10亿千瓦）量级。正是这项技术的发明，使得超快、超强激光得到快速发展。新的激光技术直接带来许多行业标准的提升，我们能获得更强大的电子产品、更安全有效的醫疗手段、更高效的太阳能电池、更好的催化剂和更强大的加速器。

林德罗特评价说：“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。

在对精密器件或精密材料加工时，超强激光束能够快速、精准地切割或打孔，让加工的误差越来越小，这样能大大提升精密仪器的性能，在高精尖工业领域发挥突出的作用。激光切割技术是一种摆脱传统的机械切割、热处理切割之类的全新切割法，具有更高的切割精度、更低的粗糙度、更灵活的切割方法和更高的生产效率等特点。激光打孔方法作为在固体材料上打孔的方法之一，已成为一项拥有特定应用的加工技术，主要运用在航空、航天与微电子行业中。

超强激光在医学中也有很重要的应用。激光手术有传统手术无法比拟的优越性。首先，激光手术不需要住院治疗，手术切口小、术中不出血、创伤轻、无瘢痕。例如：眼袋的治疗，传统手术法存在着由于剥离范围广、术中出血多、术后愈合慢、易形成瘢痕等缺点，而应用高能超脉冲激光仪治疗眼袋，则以它术中不出血，不需缝合，不影响正常工作，手术部位水肿轻，恢复快，无瘢痕等优点，令传统手术无法比拟。其次，超强激光还能用于制造微米尺度的手术支架，可以用来扩张和加固人体内血管、尿道和其他通路，给数以千万计的患者带来了福音。第三，激光驱动的带电粒子加速器能产生具有高度穿透力的辐射（如x射线或粒子束），这样的辐射也可以用于癌症的诊断与治疗。将激光聚焦于直径只有几毫米的金属靶点上，就得到一个极小的X射线源。它能探查到非常小的癌细胞群，这样就可以在肿瘤发展的极早阶段对其进行治疗。原则上，使用激光加速器可以达到1微米的分辨率，也就是说激光诊断器可以发现肉眼看不到的癌变组织，将癌细胞消灭在摇篮之中。（责任编辑张虹）

激光切割技术是一种全新切割法。

超强激光探测微小肿瘤组织。

辉煌人生源于一次加班

在2018年诺贝尔物理学奖的3名获奖者中，最引人瞩目的是59岁的唐娜·斯特里克兰。因为唐娜的研究经历和获奖表明，即使你没有很强的科研天赋，如果你能努力去争取和奋斗，你一样可能走上辉煌的巅峰。

唐娜是历史上第三位女性诺贝尔物理奖获得者，前两位是1903年的玛丽·居里和1963年的玛丽亚·戈佩特·迈耶。然而，论及学术地位，唐娜远远比不上前两位，因为她到目前为止最重要的成就是和穆鲁一起发明了啁啾脉冲放大技术，而这项技术是她在攻读博士时在穆鲁的指导下完成的。就在获奖前，唐娜的职称也不过是加拿大滑铁卢大学的副教授。

20世纪80年代，超快超强激光是物理学研究中的一大热门课题。1985年，在纽约罗彻斯特大学攻读博士学位的唐娜参加了导师穆鲁的高强度激光研究。经过了很长时间的研究，他们的课题组进入了难以提升激光功率的困境。有一天，课题组的助理研究员史蒂芬·威廉姆斯好奇地向穆鲁提出一个问题：如果光纤和放大器换个顺序，会是什么结果？

威廉姆斯提出问题之后，就下班回家了。穆鲁却陷入了沉思，他突然想明白了，威廉姆斯这个问题其实可以转化为这样一种思路：将激光拉伸，降低功率后再通过放大器。这样，就不会因为激光功率过大而烧毁放大器了。想明白之后，穆鲁立即召集学生进行实验。当时，实验室只有唐娜还在“加班”。于是，唐娜顺理成章地协助穆鲁来完成这个实验。当晚，实验就取得了初步的结果。然后，再进过多日的改进和反复实验之后，啁啾脉冲放大技术得以完善。

最终，这一研究成果以论文的形式发表在学术期刊《光学通信》杂志上。从此，啁啾脉冲放大技术成为激光研究和应用领域的重要工具，穆鲁的学术地位不言而喻，唐娜的学术地位也跟着水涨船高。无论是前期的创意还是后期的设计，唐娜都不是主要贡献人，她却以实验执行者的身份理所当然地被导师列为论文第二作者，因此按照贡献的顺序来说，她是有资格获得诺贝尔奖的。

除了唐娜外，历史上还有一些科学家因读博士期间取得的研究成果而获得诺贝尔奖奖。以物理学奖为例，就有特霍夫特（1999年获奖）、施里弗（1972年获奖）、穆斯堡尔（1961年获奖）等，均为因博士期间发表的论文或者博士学位论文取得的研究成果获奖。