楊先碧

近100年來(lái)，激光是繼核能、電腦、半導(dǎo)體之后，人類(lèi)的又一重大發(fā)明，被稱(chēng)為“最快的刀”“最準(zhǔn)的尺”“最亮的光”。自從激光被發(fā)明以來(lái)，科學(xué)家就在不斷提升它的性能、開(kāi)發(fā)它的新功能，取得了一個(gè)又一個(gè)令人矚目的成果。美國(guó)科學(xué)家阿瑟·阿什金、法國(guó)科學(xué)家熱拉爾·穆魯以及加拿大科學(xué)家唐娜·斯特里克蘭，就是激光研究領(lǐng)域的佼佼者，他們因善于駕馭激光而獲得了2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

把激光打造成鑷子

如何抓取單個(gè)細(xì)胞、細(xì)菌、分子等尺寸很小的東西，是一件十分困難的任務(wù)，難得超出我們的想象。究其原因，不光是因?yàn)檫@些小東西小到必須依賴(lài)電子顯微鏡才能看到，更令人煩惱的是，這些小東西并不是乖乖地待在那里等你去抓取，而是不停地在一個(gè)小范圍內(nèi)四處亂竄。這樣一來(lái)，科學(xué)家很難抓住它們，也就難以對(duì)它們做較為深入的研究。 1987年，阿什金發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以讓那些并不安分守己的小家伙束手就擒。這種方法就是利用激光做鑷子，科學(xué)家稱(chēng)之為光鑷。需要說(shuō)明的是，光鑷只是一個(gè)抓取工具，它本身沒(méi)有顯微作用。也就是說(shuō)，光鑷實(shí)際上是安裝在顯微鏡上的一個(gè)輔助研究工具。

雖然名為光鑷，但是和我們平常使用的鑷子相比，無(wú)論是外表還是使用原理，都大不相同。實(shí)際上，光鑷并非用兩道激光來(lái)夾小東西，而是用一道強(qiáng)度適宜的激光束形成一個(gè)陷阱（更加學(xué)術(shù)的說(shuō)法是三維勢(shì)阱）。如果以激光束形成光場(chǎng)的中心劃定一個(gè)幾微米方圓的區(qū)域，你將會(huì)觀(guān)察到一旦微小物體進(jìn)入這個(gè)區(qū)域，就會(huì)自動(dòng)迅速地墜落到光場(chǎng)的中心，就像獵物墜入陷阱一樣。因此，科學(xué)家又把困住物體的區(qū)域稱(chēng)為光阱，相應(yīng)的技術(shù)稱(chēng)為光學(xué)捕捉。光鑷將細(xì)胞、分子等小東西關(guān)在這個(gè)陷阱里，讓它們不能亂動(dòng)。此時(shí)，我們就可以對(duì)這些小東西進(jìn)行更進(jìn)一步的研究了。

發(fā)明光鑷之后，阿什金用它捕捉到了一個(gè)活的細(xì)菌，而且沒(méi)有給這個(gè)細(xì)菌帶來(lái)任何傷害。然后，他就可以固定這個(gè)細(xì)菌進(jìn)行細(xì)菌內(nèi)的研究，也可以移動(dòng)它到指定位置，以便研究細(xì)菌和生活環(huán)境的關(guān)系。在沒(méi)有光鑷之前，科學(xué)家很難固定細(xì)胞、細(xì)菌、病毒等微小的“活物”，通常得“弄死”（滅殺）它們后進(jìn)行研究。有了光鑷，科學(xué)家可以操縱和移動(dòng)分子、病毒和其他活細(xì)胞，還有顯微世界中的其他小東西。

瑞典皇家科學(xué)院院士埃娃·林德羅特接受采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)：“有了這種光鑷，我們能夠抓取分子，把它們移動(dòng)到你想要的地方，并對(duì)它們展開(kāi)操作。這是非常實(shí)用的工具，事實(shí)上我們也經(jīng)常使用它?！比缃瘢谠S多生物或醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，光鑷已經(jīng)是標(biāo)配的儀器設(shè)備。光鑷不僅應(yīng)用于生物學(xué)，在物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。

讓激光變強(qiáng)變快

現(xiàn)在醫(yī)院用激光做手術(shù)已經(jīng)是較為常見(jiàn)的事情了，比如一些近視眼患者會(huì)去醫(yī)院做激光手術(shù)，對(duì)角膜進(jìn)行修正。然而，激光手術(shù)用的激光并非普通的由激光器發(fā)出來(lái)的激光，而是經(jīng)過(guò)處理后的激光。直接用普通激光做手術(shù)，失敗率會(huì)非常高，而且患者感受的痛苦會(huì)很大。因?yàn)槠胀す夤β氏鄬?duì)較小、脈沖波長(zhǎng)相對(duì)較大，對(duì)角膜的切割精度較低、切割范圍過(guò)大，甚至可能誤傷角膜周?chē)难劢M織。啁啾脈沖放大技術(shù)出現(xiàn)之后，激光眼科手術(shù)變得可能了。

1985年，穆魯和斯特里克蘭發(fā)明了一種方法，可以讓激光的脈沖波長(zhǎng)縮短，從而讓激光的功率增強(qiáng)，他們把這種方法命名為啁啾脈沖放大。所謂啁啾，原本是指鳥(niǎo)叫聲，但是在通信領(lǐng)域，它有其特殊的含義。在初期的通信研究中，當(dāng)脈沖信號(hào)變到音頻時(shí)，會(huì)發(fā)出一種聲音，聽(tīng)起來(lái)像鳥(niǎo)叫的啁啾聲，故名“啁瞅”。穆魯?shù)热税l(fā)明的啁啾脈沖放大技術(shù)，就是讓激光的脈沖發(fā)生快速的變化。

更強(qiáng)更快不僅是體育界的口號(hào)，也是激光科學(xué)家的追求目標(biāo)。當(dāng)時(shí)，眾多的科學(xué)家一味想提升功率，就是不斷地放大激光，然后再加以壓縮，以獲得更強(qiáng)更快的激光，但是這個(gè)思路并沒(méi)有帶來(lái)理想中的效果，因?yàn)檫^(guò)大的功率會(huì)將作為激光器核心部件的放大元件燒毀，導(dǎo)致整臺(tái)儀器報(bào)廢。與眾不同的是，穆魯他們采用了一種欲擒故縱的方法。當(dāng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)小組中的一名研究助理威廉姆斯提供了一個(gè)新的思路：是否可以先縮小激光功率再放大呢？后來(lái)的研究證明，這個(gè)思路是正確的。穆魯?shù)热讼葘⒓す饫?，拉伸之后功率變小，就可以順利地通過(guò)放大元件，將放大之后的拉伸激光再壓縮，就可以獲得短脈沖、高功率激光束了。當(dāng)時(shí)，正在攻讀博士學(xué)位的斯特里克蘭在導(dǎo)師穆魯?shù)闹笇?dǎo)下，順利地完成了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，而威廉姆斯因?yàn)闆](méi)有參與實(shí)驗(yàn)而與諾貝爾獎(jiǎng)無(wú)緣。

林德羅特院士評(píng)價(jià)說(shuō)：“這項(xiàng)研究涉及如何讓激光變得更強(qiáng)。有了強(qiáng)大的激光，我們可以做很多實(shí)際的事情。比如，精準(zhǔn)、低成本地為粒子加速;強(qiáng)激光帶來(lái)的短脈沖，又可幫助我們以簡(jiǎn)單且盡可能不損傷眼球的方式來(lái)矯正視力?！背瑥?qiáng)激光在核物理、粒子物理等物理學(xué)分支中得到廣泛應(yīng)用，利用這項(xiàng)技術(shù)，物理學(xué)家制造出超高速相機(jī)，利用飛秒量級(jí)的脈沖對(duì)原子和分子進(jìn)行拍照，得以更好地洞察微觀(guān)世界中的秘密。