激光成就梦想

施郁

本文对2018年诺贝尔物理学奖的科学背景，内容和意义作较详细的解读，并阐述一点个人理解和评论，包括诺贝尔奖官方资料未强调的阿什金的光囚禁思想对于超冷原子物理的意义。

2018年诺贝尔物理学奖授予“激光物理领域的突破性发明”，阿瑟·阿什金（ArthurAshkin）因为“光镊及其在生物系统中的应用”获得一半，另一半授予热拉尔·穆鲁（GerardMourou）和唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland），表彰他们“生成高强度超短光脈冲的方法”[1]。

原子中电子从高能级跃迁到低能级时，多余的能量转化为光子辐射出来，能量正比于光子频率。爱因斯坦最早提出，存在两种辐射：自发辐射（与外加电磁场无关）和受激辐射（与外加电磁场有关）。通常电子处于低能级，作为受激辐射的逆过程，低能级的电子可以吸收光子而跃迁到高能级。如果实现让多数电子处于同一个高能级，即粒子数反转，将导致受激辐射，产生大量空间和时间上相干的光子，聚集在一起，这就是激光（lightamplification by stimulated emission of radiation，laser）。

1953年，汤斯（C.H.Townes）等人制造出第一台微波激射器（microwave amplification by stimulatedemission of radiation，简称maser）。1958年，肖洛（AL.Schawlow）和汤斯将maser原理推广到红外和可见光，称之为光学maser。1960年，梅曼（T.H.Maiman）制造出第一台光学maser，他受到肖洛和汤斯文章的启发，但是也超越了后者1964年，汤斯与两位苏联科学家巴索夫（N.Basov）和普罗霍罗夫（A.Prokhorov）因“基于laser-maser原理制造出振荡器和放大器”而获得诺贝尔物理学奖。从这个颁奖词开始，“光学maser”被改称为laser，即将maser全称中的微波（microwave）改为光（light）。后来钱学森将laser翻译为激光

从光压到光镊

1997年，因“用激光冷却和囚禁原子的方法”，朱棣文、科恩一塔诺季（C.Cohen-Tannoudji）和菲利普斯（W.D.Phillips）获得诺贝尔物理学奖朱棣文在诺贝尔演讲中回忆了他在贝尔实验室的重要经历：

我进入激光冷却和囚禁领域始于我从新泽西默里山搬到霍姆德尔（Holmdel）的分部去领导量子电子学研究室。我从与在霍姆德尔办公室隔壁的阿瑟·阿什金的交谈中，开始了解他用光囚禁原子的梦想。他发现我听得越来越认真，开始给我读他的文章。

自学生时代起，阿什金就对光压感兴趣[2]，激光发明之后，就开始用激光研究光压。光压又叫辐射压（单位面积上的压力），或者说光力，也就是光射到物体上时施于物体的力400年前，开普勒就曾猜测彗星尾巴背向太阳是因为太阳光的光压（现在我们知道，这只是部分原因，更重要的是太阳风），他还写信给伽利略，猜想可以用光压驱动帆船。150余年前，麦克斯书的电磁理论证明了光确实有动量、能施加压力，凡尔纳在科幻小说中畅想了用光压驱动星际旅行。苏联的齐奥尔科夫斯基（K.Tsiolkovsky）和赞德（F.Zander）也提出太阳帆的想法2010年，日本发射了第一个利用太阳帆技术的“伊卡洛斯（Ikaros）”号飞船。在美国“海盗（Viking）”号火星探测器的运行轨迹设计中也考虑了光压效应。

对于宏观物体或微粒，正如阿什金所喜欢的，我们可以借用牛顿力学来讨论问题。考虑一束光射进一个小球。光被小球折射，动量改变了。但是光与球的总动量守恒，因此小球得到了动量。单位时间里的动量改变就是它受到的力，这就是牛顿第二定律。所以，光的动量改变导致小球受到光力，这个力叫做散射力。光的密度越大，散射力也越大。另一方面，如果光束不均匀，那么光密的地方受力大，光疏的地方受力小，这导致还有一个正比于密度梯度的梯度力，朝向高密度区域。巧妙地利用散射力和梯度力，就可以实现囚禁。

1969年，阿什金用聚集的激光移动了空气和水中的介电小球，演示了梯度力，并用两束相向传播的激光束囚禁了粒子，并提出这个方法可以用于囚禁原子、分子[3]。后来他还利用光力与重力的平衡，将粒子悬浮起来。1977年，为了囚禁和冷却原子，阿什金提出全光单束梯度力囚禁的构想[4]。这就是光镊。1985年，阿什金与同事成功地用光镊囚禁了一个介电小球[5]。他们先借助透镜，将光射进介电小球，小球将光折射。为了使得梯度力能够抵消散射力，他们借助显微镜物镜来实现大数值孔径和大角度会聚。

1986年，朱棣文等人与阿什金合作，使用阿什金的方法，并将原子减速冷却下来，成功实现了原子的激光冷却和囚禁[6]。1997年，朱棣文在诺贝尔演讲中介绍了阿什金的前期工作，有趣的是，也介绍了阿什金以及他本人将激光囚禁用于生物学的工作。

光镊带来生命科学的革命

1986年，阿什金开始将光镊用于生物系统的研究。为了减少对生物系统的损伤，激光需要处于红外波段。利用光镊，阿什金实现了囚禁和操纵病毒、细菌、活细胞[7，8]，深入细胞内部而不破坏细胞膜[9]，测量细胞器微观输运的驱动力[10]。

光镊给生命科学提供了一个广泛使用的革命性工具，可以用来对生物物质进行各种操作，从而可以细致地研究生物体内很多微观过程，特别是生物体内的各种小“机器”的物理过程，开启了物理学与生物学的一个交叉领域。典型的应用有：

在生物大分子研究中的应用 利用光镊，研究单个生物大分子（比如DNA和RNA）的力学和非平衡统计力学性质。

在分子马达研究中的应用 驱动细菌游动的鞭毛由转动分子马达驱动。而线性运动的马达分子则广泛存在于细胞内输运、肌肉收缩以及细胞分裂中，将化学能转化为运动。利用光镊，研究人员可以精准测量分子马达的各种性质，比如轨迹、步长（通常为几个纳米）、停顿时间、力（约为1～100皮牛顿），等等。

生命活动的微观过程 利用光镊，可以仔细研究这些微观物理过程。例如，在DNA到信使RNA的转录过程中，马达RNA聚合酶沿着DNA每个碱基对移动;在信使RNA的转录信息基础上，核糖体对单个信使RNA的编码子转译;蛋白质降解中，蛋白酶打开基底蛋白质。

光囚禁在超冷原子物理中的特殊意义

阿什金早期的光囚禁工作对于超冷原子物理具有特殊意义，这是诺贝尔奖官方资料未强调的。

原子的冷却与囚禁导致了超冷原子物理的发展。1995年，威曼（C.Wieman）和康奈尔（E.Cornell）研究组以及克特勒（W.Ketterle）的研究组实现了玻色一爱因斯坦凝聚，这可能对1997年的诺贝尔奖授予朱棣文、科恩一塔诺季和菲利普斯起了推动作用，而他们自己获得了2001年的诺贝尔奖。

早期的超冷原子基本上基于磁阱或者磁光阱。在这些实验方案中，原子的自旋（磁矩）与外磁场耦合，所以自旋被冻结，不能体现与自旋相关的物理。后来，光阱或者说光囚禁被用来研究超冷原子，导致很多丰富的物理。比如，利用光阱实现了体现自旋重要性的旋量玻色气;利用光阱还可以方便地用费什巴赫共振（Feshbaehresonance）来调控原子之间的相互作用，由此实现诸如费米子超流、玻色一爱因斯坦凝聚与BCS超流的渡越等量子多体系统。而作为光阱的发展，光晶格中的原子可以成为强关联多体系统，也可以应用于量子模拟和量子信息处理。

值得一提的是，最近实验上还实现了用光镊阵列束缚碱金属原子或碱土金属原子。光晶格中，不同格点之间原子之间的距离是固定与此不同的是，光镊阵列中，不同光镊中的原子之间的距离可以在小于微米到10微米之间改变[11]。

追根溯源，光阱和光镊来源于阿什金最初的光囚禁思想。正如阿什金本人说过的，光囚禁思想不是显然的。阿什金的光囚禁思想对于冷原子物理有特殊的贡献。

我们为阿什金能够健康长寿，终于在96岁时得到姗姗来迟、实至名归的诺贝尔奖而欣慰。阿什金的研究历程记录在他的著作中[2]。阿什金教授接受记者采访时，用《利用激光进行中性粒子的光囚禁和操纵》（OpticalTrappingand Manipulation of' Neutral ParticlesUsing Lasers）的封面对光镊作了解释[12]。

阿什金長期在贝尔实验室工作，为贝尔实验室获得了第9个诺贝尔奖二贝尔实验室人才云集，科研人员自主创新，取得了极大的成功。

高强度超短激光脉冲

研究物质中的快速过程，需要短脉冲激光。为了获得短脉冲激光，人们用过各种方法，比如所谓的Q开关、锁模、染料激光器_由于激光脉冲达到了分子中原子运动的时间尺度，所以被用于研究化学反应，1999年的诺贝尔化学奖因此授予泽韦尔（A. Zewail）。但是，在这些方法中，脉冲的功率峰值并没有增加很多，只能将锁模振荡器出来的纳焦脉冲放大100万倍到毫焦。再放大则容易导致放大器损坏，除非增大光束半径以降低强度，而这代价高、重复率低

1985年，当时在光学重镇罗切斯特大学的穆鲁和他的学生斯特里克兰发明了啁啾脉冲放大（CPA）技术[13]。诺贝尔奖官方材料特别指出：“他们从雷达技术得到启发，正如汤斯发明maser时受益于他在雷达方面的经验和光通信方面的研究。”穆鲁现任法国巴黎综合理工学院教授，斯特里克兰现任加拿大滑铁卢大学副教授。

CPA技术首先将超短激光脉冲在时间上拉长儿个数量级，功率峰值相应地下降几个数量级;然后在激光材料中安全地放大;最后在时间上压缩回原来的长度，已经放大过的功率峰值随之变得非常高。“啁啾（chirp）”本来是指鸟鸣声，后来用来指脉冲信号中频率随时间单调增加或下降。

虽然看上去简单，但是穆鲁和斯特里克兰经过几年的努力才使设想成为现实[1，13]。他们最初的方法如下：先将纳焦脉冲与单模光纤耦合，拉长到300皮秒，脉冲在光纤中啁啾化，频率随时间而增大，叫做上啁啾;然后将啁啾信号放大;最后，长的凋啾脉冲被双栅压缩器压到2皮秒，能量达到1毫焦。后来穆鲁研究组又取得了进一步进展，于1986年产生了1太瓦（10¹²瓦）的激光_再后来，他们又采用别人提出的“以一对衍射光栅取代光纤来拉长脉冲”的方法。1988年，穆鲁研究组实现了从纳焦到焦耳的9个数量级的放大[14]。这导致光脉冲强度的大跃进

后来别的研究组提出基于CPA的新技术，例如能产生更高强度的光学参数CPA基于钕玻璃的激光可以产生1焦/皮秒的脉冲，基于掺钦蓝宝石的激光可以得到100飞秒的短脉冲。拍瓦（10¹⁵瓦）脉冲于1999年在劳伦斯·利弗摩尔国家实验室产生

现在全世界至少有几十台运行或建造中的拍瓦激光器，还有更高功率的激光在计划中，例如穆鲁推动的欧洲合作的极端光设施（Extreme Light Infrastructure）在捷克的分部将有10拍瓦的激光，强度预期可以达到10²³瓦/厘米²。这些装置可以用来研究一些极端物态，如辐射主导的物质、高压量子物质、高温致密物质与超相对论等离子体。这些领域属于高能量密度物理，对于天体物理和惯性约束聚变都很重要

造价较低的桌面太瓦激光可以用于研究强场物理、阿秒科学、激光等离子体加速，等等。基于CPA的飞秒激光可以用来研究强激光中的物理在原子物理的强场区，光场强度能将原子电离化而产生动能很大的电子。阿秒激光可以探测原子、分子和凝聚态中电子的动力学厂）高强度的激光还可以产生等离子波，在1厘米距离中将电子加速到10亿电子伏，这提供了新的加速器原理。

CPA技术还产生适用于工业和医疗的超短激光，特别是对精密度有高要求的情况比如用超短激光脉冲在媒质（如光盘）中刻录信息。医学上，用激光脉冲制作手术定位板、加强血管及身体中其他通道用的微米金属圆柱体，等等。约120纳焦的飞秒激光还用于近视和散光的屈光手术在激光原位角膜磨削术（laser-assistedin situ keratomileusis，LASIK）中，为了让准分子激光能到达并改变角膜基质，需要用飞秒激光产生角膜瓣而在某个一体化飞秒激光方案中，不需要产生角膜瓣，而只需要产生一个4毫米或更小的切口，然后移除光切割的小透镜层，改变角膜形状，修正屈光。

师生合作获奖

斯特里克兰研究CPA技术的时候还是研究生她的获奖让我想起，1974年休伊什（A.Hewish）因脉冲星的发现分享诺贝尔物理学奖，而做出关键贡献的女研究生贝尔（Jocelyn Bell）无缘获奖这件事当时就被诟病，一直至今受到非常广泛的关注。1977年，贝尔自己曾经冷处理此事，说她觉得如果诺贝尔奖授予研究生，会贬低诺贝尔奖，除非在特殊情况下，而她不属于那些特殊情况。2018年，贝尔得到了基础科学特别突破奖。

不过听说贝尔的事情似乎使得诺贝尔奖委员会从此小心对待师生合作的情形比如发现脉冲双星的学生赫尔斯（R.A.Hulse）和导师泰勒（J.H.Taylor Jr.）分享了1993年的诺贝尔物理学奖（赫尔斯博十毕业后就离开了天体物理）。

按照诺贝尔奖的标准，诺贝尔奖是奖给某一项研究成果的。根据这个原则，研究人员只要在诺奖委员会认为值得获得诺奖的某一项研究成果中，做出足够重要的贡献，就可以也应该获诺贝尔奖，而与其他学术贡献与学术水平无关。相反，一些做出若干杰出贡献的科学大师无缘诺奖，因为其中没有一项贡献被诺贝尔奖委员会认为可以获得诺奖。

阿什金利用激光光压发明了光镊，能够囚禁和控制微粒、细菌、细胞、病毒、分子和原一i=，而且可以不损伤生命物质，为在微观细节上研究生命过程提供了革命性手段。除了诺贝尔奖颁奖词明确指出的功绩之外，笔者认为阿什金的激光囚禁原子的思想对于后来冷原子物理的发展也非常重要。穆鲁和斯特里克兰的C PA技术导致超短激光的强度暴增，为基础和应用研究带来很多途径，并在工业和人类生活中广泛应用。

[1]https：//www.nobelprize.org（本文多处引用诺贝尔奖官方网站，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.

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