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。
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。
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。