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焦点:诺贝尔奖—让激光成为工具
更新时间:2018-11-03 12:02:15    来源:https://physics.aps.org/articles/v11/100    作者:译者:刘振娟,    点击:1493次

2018年诺贝尔物理学奖授予激光物理学的创新者,他们因发明“光镊(optical tweezers)”和提出了产生高强度超短激光脉冲的方法而获奖。




图1 基因拉伸。2018年诺贝尔物理学奖的一半用来奖励光镊的发明。在最近的一个实验的插图中,两个光镊子(红色)被用来拉伸在一条一对小珠子(蓝色)之间的DNA链。监测由荧光分子(绿色)发出的光信号,可以提供DNA在张力下结构变化的信息[1]。



激光又回到了诺贝尔奖的聚光灯下。今年的物理学奖表彰了激光在空间和时间上操纵物体的能力。阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)因发明可以操控小颗粒和小细胞的“光镊子optical tweezers”而获得一半奖金。诺奖奖金的另一半是用来表彰杰勒德·穆卢(Gérard Mourou) 唐娜•斯特里克兰(Donna Strickland)开发了生成高强度超短激光脉冲的技术。

1964年诺贝尔物理学奖表彰了激光的发明。在那之后不久,当时在新泽西州贝尔实验室工作的阿什金(Arthur Ashkin)对应用激光的强光束直接在光场中移动小物体产生了兴趣,人们早就知道光线会对物体施加辐射压力,但它通常太小而无法观测。

阿什金(Arthur Ashkin)做了一系列实验,用微米宽的乳胶球悬浮在玻璃皿内的水中。他将激光聚焦在玻璃皿上,观察到球体被推到了远端,这与辐射压力模型的预期一致。他还注意到这些球体在光束的轴线上被困住了。他解释说,这种诱捕是由光束强度的空间变化或梯度造成的。穿过乳胶球的光线由于折射而弯曲,使球成一定角度。这种偏转使球体发生反冲。在均匀光束中,穿过球体的所有射线的净反冲为零,但由于光束中心比边缘更强烈,结果是产生向中轴的拉力。

在接下来的15年里,阿什金(Arthur Ashkin)和其他人用各种各样的光学系统进行了实验,这些光学系统可以捕获微型物体以及原子和分子。1986年,阿什金(Arthur Ashkin)和他的同事开发了一种单光束光学陷阱[2],后来被命名为“光镊”。这束光线的聚焦非常敏锐,产生了一种平衡辐射压力的梯度力。

在接下来的几年里,阿什金(Arthur Ashkin)和他的合作者探索了光镊在生物学中的应用。他们证明了光镊能够捕获和操纵病毒、活细胞和亚细胞成分。后来其他研究小组的工作表明,光镊可以用来研究分子。在这些实验中,目标分子被拴在一个珠子或其他可以被光镊操纵的物体上。例如,研究人员使用这种技术来测量分子马达施加的微小力—比如驱动肌肉收缩的马达以及DNA分子的弹性特性。

生物学家Karin SchutzeAshkin一起进行光镊实验,测量活细胞[3]中的分子运动力。后来,她与人共同创立了一家名为CellTool的公司,该公司开发出易于使用的设备,将光镊技术与光谱学相结合,用于癌症检测和其他应用。“我们生活中的工作依赖于阿什金的发明,”她说。加州斯坦福大学的朱棣文因在原子冷却和俘获方面的研究而获得1997年诺贝尔物理学奖。朱棣文说:“光学镊子对生物群落的影响是深远的,Ashkin是先驱者,我特别高兴Ashkin得到了他应得的认可。”

诺贝尔奖的后半段还赞扬了激光的用处,它不是用来移动物体,而是在短时间内以能量撞击物体。早期提高超短激光脉冲功率的努力由于放大光脉冲会使光学设备受到光强度的破坏而受阻。1980年代,MourouStrickland在纽约罗彻斯特大学(University of Rochester, New York)工作时发展出一种巧妙的方法,叫做啁啾脉冲放大(chirped pulse amplification, CPA)。它首先在时域拉伸一个脉冲,然后放大,最后压缩回它原来的持续时间[4]。由于放大发生在脉冲拉伸后,强度一直保持在设备阈值以下,直到最后的压缩步骤。

在他们最初的演示中,MourouStrickland得到了皮秒(1012)脉冲,功率约为十亿瓦(109)。后来的发展使性能提高了1000倍,持续时间到了飞秒(10-15秒)量级,功率也增加至太瓦。超短脉冲啁啾放大技术在功率上的巨大提升打开了激光在化学、工业和医药领域无数应用的大门。“就基础科学而言,这项发明使得高能激光和阿托秒(10-18)科学的发展有了可能,并使研究人员测试激光等离子体加速电子和离子的想法成为可能”,来自米兰理工大学的激光专家桑德罗Sandro De Silvestri说。但随着激光功率的持续上升,对于超短激光脉冲CPA的研究并没有结束。目前全世界大约有50千瓦时级(1015)激光设备在运行和开发中,相关计划必将进一步推进激光技术的发展。


References

1.     K. Schakenraad, A. S. Biebricher, M. Sebregts, B. ten Bensel, E. J. G. Peterman, G. J. L. Wuite, I. Heller, C. Storm, and P. van der Schoot, “Hyperstretching DNA,” Nat. Commun. 8, 2197 (2017).

2.     A. Ashkin, J. M. Dziedzic, J. E. Bjorkholm, and Steven Chu, “Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles,” Opt. Lett. 11, 288 (1986).

3.     A. Ashkin, Karin Schütze, J. M. Dziedzic, U. Euteneuer, and M. Schliwa, “Force generation of organelle transport measured in vivo by an infrared laser trap,” Nature 348, 346 (1990).

4.     D. Strickland and G Mourou, “Compression of amplified chirped optical pulses,” Opt. Commun. 56, 219 (1985).


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