驾驭激光

杨先碧

近100年來，激光是继核能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。它被称为“最快的刀”、“最准的尺”和“最亮的光”。自激光发明以来，科学家就在提升其性能和开发新功能方面不断努力，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·穆鲁和加拿大科学家唐娜·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

要抓取单个细胞、细菌、分子等尺寸很小的物质，难度超乎我们的想象。一个原因是这些物质小到得凭借电子显微镜才能得见。更令人烦恼的是，这些物质会不停地在一个小范围内四处乱窜。

1987年，阿什金发现了一种可以让这些不安分的小家伙束手就擒的方法，这种方法就是以激光为镊子，科学家称之为“光镊”。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，但是它和我们平常使用的镊子，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取物质，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）。以激光束形成光场的中心划定一个几十平方微米的区域，一旦微小物体进入这个区域，就会自动而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”，相应的技术则被称作“光学捕捉”。光镊将细胞、分子等物质关在这个陷阱里，让它们不能乱动。这样，我们就可以对这些物质进行更进一步的研究了。

发明光镊之后，阿什金用它捕捉到了一个活的细菌，而且并未对这个细菌造成任何伤害。此后，他有时固定住这个细菌对它进行研究，有时则移动它到指定位置，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”，通常得灭杀它们后才能进行研究。

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。光镊不仅仅应用于生物学，在物理学、化学、材料学等领域也有广泛的应用。

让激光更强更快

现在医院采用激光给患者做手术已经是较为常见的事情了。比如，一些近视患者会去医院做激光手术，对角膜进行修正。然而，激光手术采用的激光并非直接由激光器发射的激光，而是经过处理后的激光。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。啁啾脉冲放大技术出现之后，激光眼科手术才成为可能。

激光切割

1985年，穆鲁和斯特里克兰发现一种方法，可以缩短激光的脉冲波长，来增强激光的功率。他们把这种方法命名为啁啾脉冲放大（Chirped Pulse Amplification，简称CPA）。所谓啁啾，原本是指鸟叫声。但是在通信工程领域，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，会发出一种像鸟叫的啁啾声，故名“啁啾”。

啁啾脉冲放大实验

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。起初他们想放大激光的功率，以获得更强的激光。但是，这个普遍的思路并没有带来理想中的效果。于是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：激光的功率是否可以先缩小再放大呢？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，而提出这一新思路的威廉姆斯却因没有参与实验而与诺贝尔奖无缘。

为什么要经过拉伸、放大、压缩激光这样一个过程呢？直接放大激光的功率不是很简便吗？的确，最初科学家就是不断地放大激光的功率，然后再加以压缩，以获得更强更快的激光。1960年激光器问世后，在短短5年时间内，不断出现更高功率的激光器。但是，从那以后的20年时间里，激光器的功率就徘徊不前，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。

“更强、更快”不仅是体育界的口号，也是科学家的追求目标。当时，众多的科学家一味地想提升功率，很少有人会逆向思维。穆鲁等人却先将激光拉伸，拉伸之后功率变小，这样激光就可以顺利地通过放大元件，然后放大它们，最后将放大之后的拉伸激光再压缩，就可以获得短脉冲、高功率的激光束了。

瑞典皇家科学院院士埃娃·林德罗特对此评价道：“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，又能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，人们得以更好地洞察微观世界中的秘密。