從搬運粒子到近視矯正激光技術又亮了

　　 “沒有想到是一項技術獲獎。”今年的諾貝爾物理學獎得主并沒有出現在任何一份預測名單當中。

　　就連獲獎者之一、物理學獎史上第3位女性——加拿大滑鐵盧大學科學家唐納·史翠克蘭（Donna Strickland）在接到諾貝爾獎現場的電話時都激動地說：“首先，必須得說這很瘋狂！”

　　北京時間10月2日下午5時52分，2018年諾貝爾物理學獎揭曉。今年該獎項被授予“激光物理學領域開創性的發明”。其中一半獎金授予美國貝爾實驗室科學家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin），因其在“光學鑷子及其在生物系統中的應用”領域所做的工作；另一半獎金由法國巴黎綜合理工學院科學家杰拉德·莫柔（Gérard Mourou）和加拿大滑鐵盧大學科學家唐納·史翠克蘭（Donna Strickland）共同分享，以表彰他們在“產生高強度、超短光脈沖方法”方面的工作。

　　UFO照下來一束光，然后就把人定住了，緊接著就是身體不受自己意識控制地進入了飛碟……原來這技術是真的！

　　阿瑟·阿什金發明的光學鑷子搬運粒子的情形就酷似一個無形的機械手，這個看不見的機械手將按照你的意志自如地控制目標粒子。

　　Q：光鑷技術是如何被發現的？有什么用？

　　中國科學技術大學光鑷研究組教授李銀妹：

　　曾為阿瑟感到惋惜，認為他錯過了1997年諾貝爾物理學獎。因為他曾在Bell實驗室與朱棣文一起研究原子冷卻，當時阿瑟關注到光場對比較大的粒子的力學效應，并在這個方向做了很多延伸，有了許多新發現，最終發明了光鑷。

　　阿瑟開辟了這項技術后，并一直堅持研究光鑷對細胞、單分子、單個顆粒的應用。光鑷技術的“鬼斧神工”對于生命科學的意義，正如阿瑟所說：將細胞器從它正常位置移去的能力，為我們打開精確研究細胞功能的大門。光鑷是多學科交叉的技術，吸引越來越多的科學家投入其中。

　　中科院院士楊國禎：

　　這項技術特別是在生命科學和精密測量領域有很大用處。比如細胞、蛋白質分子都是微小顆粒，“光鑷”可以用來操控這些分子和微小顆粒，通過調控它們的運動，可以用來研究和測量這些微粒或分子的性能。

　　Q：光鑷技術在中國的研究進展如何？

　　李銀妹：

　　1989年，中科院院士郭光燦聞訊光鑷子技術發明，在國內開啟研究。我非常有幸當年能參加到郭光燦老師領導光鑷技術研究。為了將光鑷技術介紹給中國學者，于1996年出版《生命科學新技術-光鑷技術原理、技術和應用》， 2016年又與姚焜老師合著出版了《光鑷技術》。

　　2013年，我們首次成功利用光鑷技術實現對活體動物內的細胞進行光學捕獲。在活的動物體內研究細胞生長、遷移、細胞及蛋白質間相互作用等生物學過程，對生命科學、醫學研究以及臨床診斷具有重大意義。當前正希望將光鑷技術向臨床方向突破，要將光鑷進入到更深層次，即血管內進行細胞操控。

　　此突破的難點在于光通過一定厚度的活體組織會受到生物組織的強烈散射，這樣就不能形成光鑷。采取通過對活體組織外部光場進行調控的方法，期望達到在深度血管內形成光鑷的目的。目前已在光場調控方面獲取一定進展，寄希望能取得如期目標，將光鑷技術推向生物醫學實際應用。

　　同時在行進的另一個研究方向，即利用光鑷操控一個被捏合在單分子上的微米小球來控制單個分子，用光鑷提供的pN力研究生物馬達相互作用以及RNA分子結構和功能等。

　　你知道嗎？每年數以百萬計的矯正眼睛手術，用的是一種叫做啁啾脈沖放大的技術。

　　杰拉德·莫柔和唐納·史翠克蘭為人類創建迄今最短、最強激光脈沖奠定了基礎。利用一種巧妙的方法，兩人在無須摧毀放大材料的前提下成功創建了超短高強度激光脈沖。

　　Q：啁啾脈沖放大技術是個啥？離應用還有多遠？

　　中國科學院上海光學精密機械研究所所長、中國科學院院士李儒新：

　　啁啾是什么意思呢？指的是鳥的叫聲在不同時刻有不同的頻率。他們兩個人發明的這種技術，能在放大光的過程中，讓光在不同時刻呈現不同的頻率。這種脈沖放大之后，再用另外一種技術把光的頻率同步起來，這樣就能獲得一個時間非常短、強度非常高的脈沖。

　　現在所有的大峰值功率激光器，都用到了這種放大技術。包括法國、英國、日本等一些國家正在進行的項目。在國內有中科院物理所的PW級別的激光器，中科院上海光機所的10PW激光器，包括我們將要進行的100PW激光器的項目，也會用到這種技術。

　　中國科學院物理研究所光物理重點實驗室研究員魏志義：

　　這種技術是做什么的呢？把激光的峰值功率安全地放大到更高的量級。如果把持續時間非常短的激光脈沖直接放大，會導致放大的飽和，以及激光元件的損壞，因此將遇到瓶頸。Mourou和他的學生Strickland就把脈沖展寬之后，再進行放大。等激光的能量高到一定程度之后，再進行脈沖壓縮，把脈沖寬度壓縮到很短，這樣一來，相應的峰值功率就非常高，聚焦后的激光強度也就大大提高了。

　　經過放大后的超快激光由于具有高的峰值功率與強度，如今在醫學、工業以及前沿科學研究等領域大放異彩。在醫學領域，超短超強激光可以產生一些新的成像技術，并用于近視眼手術，其產生的高能量質子束、高強度X射線可用于癌癥的早期診斷與治療。在工業領域，特殊材料的高精度加工，諸如手機屏幕的切割等都需要用到超快超強激光。

　　此外，放大后的強激光還可應用于激光尾場加速（laser wake field acceleration，簡稱LWFA），能夠把粒子的能量加速到很高，甚至接近光速，也可以產生公里量級的等離子通道。

　　Q：國內在該技術方面的進展如何？

　　魏志義：

　　國內對于這項技術的應用也比較早，取得了比較不錯的成果，已在國際上具有重要影響，比如中科院上海光機所、九院（中國工程物理研究院）、中科院物理所等。物理所曾在2011年實現了的1.16PW（1.16x1015 W）峰值功率，是當時國際同類研究最高。

　　作為他們的同行，我覺得Mourou和Strickland早就應該拿到諾獎了，實際上他們已被提名多次，因此今年獲此殊榮，也在意料之中。該成果不僅給激光領域帶來深刻影響，也給核物理、光物理等領域的科學家提供了革命性的技術手段。

　　中國科學院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室主任冷雨欣：

　　1985年的時候，兩位教授發明了這項技術并在雜志上發表，當時Donna Strickland教授還是Gérard Mourou教授的博士生。雖然文章發表的雜志影響因子不是很高，但該技術很先進。

　　這一工作發表沒多久，中科院上海光機所徐至展院士就敏銳的注意到這一項工作，開拓與發展了我國超強超短激光與強場物理領域及其重大應用研究。

　　Gérard Mourou教授和Donna Strickland教授都曾經來過中國。特別是Gérard Mourou教授，最近幾乎每年都來上海，對推動中國超強超短激光和強場激光物理的發展給予了很大的幫助。

　　中科院物理所研究員曹則賢：

　　激光領域是我國一直長期保持國際前沿水平的研究領域。激光是1960年發明的，據說我國1961年就研制成功了第一臺激光器。就布局而言，中國科學院在長春、西安、合肥和上海有四家專業的光學與精密機械研究所，中國科學院物理所以及九院等單位的超強、超短脈沖研究成果也處于世界前列。

　　北京大學信息科學技術學院教授張志剛：

　　如果問和世界水平的差距的話，可以說差距不大。不過，諾獎是給原創的，而我國的超短脈沖、超高功率激光器，技術上沒有很大創新，如果我們要獲諾獎，還需要從源頭上創新，而不是追求某些技術指標。