走近諾貝爾獎(jiǎng)(十六)駕馭激光
2019-01-24 01:31:10楊先碧
大自然探索 2019年1期
楊先碧
走近諾貝爾獎(jiǎng)
2015年1月，本刊曾在開年第1期開設(shè)專欄《走近諾貝爾獎(jiǎng)》，此后共連載15期，旨在介紹近年諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)的一些獲獎(jiǎng)情況，讓廣大讀者朋友進(jìn)一步了解科學(xué)、愛科學(xué)，提高科學(xué)素養(yǎng)。
2015年10月，當(dāng)我們正在制作第12期專欄的時(shí)候，傳來了振奮人心的喜訊：我國科學(xué)家屠呦呦獲2015年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。我們驚喜不已！似乎我們之前開設(shè)這個(gè)專欄都是為獲此獎(jiǎng)、報(bào)道此獎(jiǎng)所做的鋪墊。于是我們將第13期專欄《走近諾貝爾獎(jiǎng)》特設(shè)為2016年第1期特別策劃《呦呦之蒿，中國神藥》，介紹了屠呦呦研究青蒿素和獲諾貝爾獎(jiǎng)的艱難歷程。
之后，我們收到不少讀者來信，紛紛表示非常喜歡這個(gè)欄目。因此，從本期開始，我們將繼續(xù)連載這個(gè)欄目，用通俗的語言介紹諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)的最新情況。
——編者
二0一六年第一期《呦呦之蒿，中國藥神》
近100年來，激光是繼核能、電腦、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”“最準(zhǔn)的尺”“最亮的光”。激光自發(fā)明以來，科學(xué)家就在不斷提升其性能、開發(fā)其新功能，取得了一個(gè)又一個(gè)令人矚目的成果。美國科學(xué)家阿瑟·阿什金、法國科學(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？這是一件十分困難的任務(wù)，其難度超過我們的想象。這不僅是因?yàn)檫@些小東西小到我們?nèi)庋劭床坏剑B普通的光學(xué)顯微鏡也看不到，得依賴電子顯微鏡才能看到。更為令人煩惱的是，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。因此，科學(xué)家要抓住它們很難，也就難以對(duì)它們做較為深入的研究。
要是在40年前，想抓住這些小東西，會(huì)讓人感覺比登天還難，至少那時(shí)候已經(jīng)有航天員登上了月球。然而，激光的發(fā)明卻讓人們捕捉這些小東西變得具有可能性。1917年，愛因斯坦提出，原子受激輻射會(huì)發(fā)光，他稱之為激光。1960年5月15日，美國科學(xué)家西奧多·梅曼制造出紅寶石激光器，并獲得了波長為0.6943微米的激光。這是人類有史以來獲得的第一束激光，梅曼因而也成為世界上第一個(gè)將激光引入實(shí)用領(lǐng)域的科學(xué)家。
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)家稱之為光鑷。需要說明的是，光鑷只是一個(gè)抓取工具，它本身沒有顯微作用。也就是說，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，無論外表還是使用原理，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)家又把困住其中把持物體的區(qū)域稱為“光阱”，相應(yīng)的技術(shù)稱作光學(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。
光鑷示意圖
光鑷有啥用
發(fā)明光鑷之后，阿什金用它捕捉到了一個(gè)活的細(xì)菌，而且沒有對(duì)這個(gè)細(xì)菌帶來任何傷害。然后，他有時(shí)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·林德羅特接受采訪時(shí)說：“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?！?p>
光鑷是加在顯微鏡上的輔助研究設(shè)備。
科學(xué)家利用激光做鑷子，可以捕捉那些快速運(yùn)動(dòng)的單細(xì)胞。
阿什金的發(fā)明對(duì)分子生物學(xué)家的幫助最大，讓科研人員可以在不破壞細(xì)胞膜的前提下，深入分析細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮關(guān)鍵作用的細(xì)胞器和分子器件，并探索細(xì)胞內(nèi)部物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化原理。2013年時(shí)，生物學(xué)家已能用激光鑷子夾住單個(gè)細(xì)胞。例如，從血液中分離出單個(gè)血紅細(xì)胞，用于鐮刀狀血紅細(xì)胞貧血癥或瘧疾治療研究。
如今，在許多生物或醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，光鑷已經(jīng)是標(biāo)配的儀器設(shè)備。生物學(xué)家為了操縱一個(gè)生物大分子，往往將兩個(gè)涂有肌漿球蛋白的聚苯乙烯小球黏在生物大分子的兩端，稱其為“手柄”。光鑷可以捕獲和操縱這些“手柄”，然后“拎著”這些生物大分子進(jìn)行各種研究。這種操縱是非常有意義的，比如科學(xué)家要把兩個(gè)生物大分子融合在一起，首先要做的事情就是把它們抓取出來并放在一起。
當(dāng)然，光鑷不僅僅應(yīng)用于生物學(xué)，它在物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。比如，美國研究人員用光鑷順利地抓取碳納米管。這些碳納米管的直徑只有2～20納米，和一些原子的直徑不相上下。在2013年之前，科學(xué)家只能抓取微米級(jí)微粒，而到如今，科學(xué)家也可以比較自如地抓取納米級(jí)微粒。這將極大地促進(jìn)微觀科學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用，將會(huì)極大地推動(dòng)高新材料和技術(shù)的發(fā)展。
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)出來的激光，而是經(jīng)過處理后的激光。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)很強(qiáng)。因?yàn)槠胀す夤β氏鄬?duì)較小、脈沖波長相對(duì)較大，對(duì)角膜的切割精度較低、切割范圍過大，甚至可能誤傷角膜周圍的眼組織。然而，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。
那么，什么是“啁啾脈沖放大技術(shù)”呢？1985年，穆魯和斯特里克蘭發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以讓激光的脈沖波長縮短，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（chirped-pulse amplification）”，英文簡稱為CPA。所謂“啁啾”，原本是指鳥叫聲。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，聽起來像鳥叫的啁啾聲，故名“啁啾”。后來，科學(xué)家把脈沖波長的變化叫啁啾，波長變長叫“上啁啾”，波長變短叫“下啁啾”。
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。與眾不同的是，他們采用了一種欲擒故縱的方法。他們本意是要放大激光的功率，以獲得更強(qiáng)的激光。但是，這個(gè)大家都知道的思路并沒有帶來理想中的效果。后來，這個(gè)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：是否可以先縮小再放大呢？
激光眼科手術(shù)就是用激光對(duì)角膜進(jìn)行修正。
后來的研究證明，這個(gè)思路是正確的。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]有參與實(shí)驗(yàn)而與諾貝爾獎(jiǎng)無緣。當(dāng)然，說起來容易，做起來難。也是經(jīng)過很多次的實(shí)驗(yàn)之后，斯特里克蘭才將短激光脈沖適時(shí)拉伸以減少峰值功率，然后放大它，并最終把它徹底壓縮，從而大幅提高激光脈沖的強(qiáng)度。
為什么要經(jīng)過拉伸、放大、壓縮這樣一個(gè)過程呢？直接對(duì)激光放大不是很簡便嗎？的確，最初科學(xué)家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。激光器在1960年問世后，在短短5年時(shí)間內(nèi)，激光器的功率就大大得以提升，不斷出現(xiàn)更高功率的激光器。但是，從那以后的20年時(shí)間里，激光器的功率徘徊不前，因?yàn)檫^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。
啁啾脈沖放大實(shí)驗(yàn)。
“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，但穆魯?shù)热瞬扇×四嫦蛩季S：要是先縮小激光功率，會(huì)怎樣呢？他們先將激光拉伸，拉伸之后功率變小，就可以順利地通過放大元件，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。
超強(qiáng)激光有啥用
啁啾脈沖放大技術(shù)有什么用呢？因?yàn)樗峁┝俗尲す庾儚?qiáng)的方法。使用這項(xiàng)技術(shù)后，脈沖可以短到飛秒量級(jí)，功率可以達(dá)到大瓦（10億千瓦）量級(jí)。正是這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明，使得超快、超強(qiáng)激光得到快速發(fā)展。新的激光技術(shù)直接帶來許多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的提升，我們能獲得更強(qiáng)大的電子產(chǎn)品、更安全有效的醫(yī)療手段、更高效的太陽能電池、更好的催化劑和更強(qiáng)大的加速器。
林德羅特評(píng)價(jià)說：“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)激光帶來的短脈沖，又可幫助我們以簡單且盡可能不損傷眼球的方式來矯正視力?！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世界中的秘密。
在對(duì)精密器件或精密材料加工時(shí)，超強(qiáng)激光束能夠快速、精準(zhǔn)地切割或打孔，讓加工的誤差越來越小，這樣能大大提升精密儀器的性能，在高精尖工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮突出的作用。激光切割技術(shù)是一種擺脫傳統(tǒng)的機(jī)械切割、熱處理切割之類的全新切割法，具有更高的切割精度、更低的粗糙度、更靈活的切割方法和更高的生產(chǎn)效率等特點(diǎn)。激光打孔方法作為在固體材料上打孔的方法之一，已成為一項(xiàng)擁有特定應(yīng)用的加工技術(shù)，主要運(yùn)用在航空、航天與微電子行業(yè)中。
超強(qiáng)激光在醫(yī)學(xué)中也有很重要的應(yīng)用。激光手術(shù)有傳統(tǒng)手術(shù)無法比擬的優(yōu)越性。首先，激光手術(shù)不需要住院治療，手術(shù)切口小、術(shù)中不出血、創(chuàng)傷輕、無瘢痕。例如：眼袋的治療，傳統(tǒng)手術(shù)法存在著由于剝離范圍廣、術(shù)中出血多、術(shù)后愈合慢、易形成瘢痕等缺點(diǎn)，而應(yīng)用高能超脈沖激光儀治療眼袋，則以它術(shù)中不出血，不需縫合，不影響正常工作，手術(shù)部位水腫輕，恢復(fù)快，無瘢痕等優(yōu)點(diǎn)，令傳統(tǒng)手術(shù)無法比擬。其次，超強(qiáng)激光還能用于制造微米尺度的手術(shù)支架，可以用來擴(kuò)張和加固人體內(nèi)血管、尿道和其他通路，給數(shù)以千萬計(jì)的患者帶來了福音。第三，激光驅(qū)動(dòng)的帶電粒子加速器能產(chǎn)生具有高度穿透力的輻射（如x射線或粒子束），這樣的輻射也可以用于癌癥的診斷與治療。將激光聚焦于直徑只有幾毫米的金屬靶點(diǎn)上，就得到一個(gè)極小的X射線源。它能探查到非常小的癌細(xì)胞群，這樣就可以在腫瘤發(fā)展的極早階段對(duì)其進(jìn)行治療。原則上，使用激光加速器可以達(dá)到1微米的分辨率，也就是說激光診斷器可以發(fā)現(xiàn)肉眼看不到的癌變組織，將癌細(xì)胞消滅在搖籃之中。 （責(zé)任編輯 張虹）
激光切割技術(shù)是一種全新切割法。
超強(qiáng)激光探測(cè)微小腫瘤組織。
輝煌人生源于一次加班
在2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的3名獲獎(jiǎng)?wù)咧校钜瞬毮康氖?9歲的唐娜·斯特里克蘭。因?yàn)樘颇鹊难芯拷?jīng)歷和獲獎(jiǎng)表明，即使你沒有很強(qiáng)的科研天賦，如果你能努力去爭(zhēng)取和奮斗，你一樣可能走上輝煌的巔峰。
唐娜是歷史上第三位女性諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者，前兩位是1903年的瑪麗·居里和1963年的瑪麗亞·戈佩特·邁耶。然而，論及學(xué)術(shù)地位，唐娜遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上前兩位，因?yàn)樗侥壳盀橹棺钪匾某删褪呛湍卖斠黄鸢l(fā)明了啁啾脈沖放大技術(shù)，而這項(xiàng)技術(shù)是她在攻讀博士時(shí)在穆魯?shù)闹笇?dǎo)下完成的。就在獲獎(jiǎng)前，唐娜的職稱也不過是加拿大滑鐵盧大學(xué)的副教授。
20世紀(jì)80年代，超快超強(qiáng)激光是物理學(xué)研究中的一大熱門課題。1985年，在紐約羅徹斯特大學(xué)攻讀博士學(xué)位的唐娜參加了導(dǎo)師穆魯?shù)母邚?qiáng)度激光研究。經(jīng)過了很長時(shí)間的研究，他們的課題組進(jìn)入了難以提升激光功率的困境。有一天，課題組的助理研究員史蒂芬·威廉姆斯好奇地向穆魯提出一個(gè)問題：如果光纖和放大器換個(gè)順序，會(huì)是什么結(jié)果？
威廉姆斯提出問題之后，就下班回家了。穆魯卻陷入了沉思，他突然想明白了，威廉姆斯這個(gè)問題其實(shí)可以轉(zhuǎn)化為這樣一種思路：將激光拉伸，降低功率后再通過放大器。這樣，就不會(huì)因?yàn)榧す夤β蔬^大而燒毀放大器了。想明白之后，穆魯立即召集學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)室只有唐娜還在“加班”。于是，唐娜順理成章地協(xié)助穆魯來完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)晚，實(shí)驗(yàn)就取得了初步的結(jié)果。然后，再進(jìn)過多日的改進(jìn)和反復(fù)實(shí)驗(yàn)之后，啁啾脈沖放大技術(shù)得以完善。
最終，這一研究成果以論文的形式發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《光學(xué)通信》雜志上。從此，啁啾脈沖放大技術(shù)成為激光研究和應(yīng)用領(lǐng)域的重要工具，穆魯?shù)膶W(xué)術(shù)地位不言而喻，唐娜的學(xué)術(shù)地位也跟著水漲船高。無論是前期的創(chuàng)意還是后期的設(shè)計(jì)，唐娜都不是主要貢獻(xiàn)人，她卻以實(shí)驗(yàn)執(zhí)行者的身份理所當(dāng)然地被導(dǎo)師列為論文第二作者，因此按照貢獻(xiàn)的順序來說，她是有資格獲得諾貝爾獎(jiǎng)的。
除了唐娜外，歷史上還有一些科學(xué)家因讀博士期間取得的研究成果而獲得諾貝爾獎(jiǎng)獎(jiǎng)。以物理學(xué)獎(jiǎng)為例，就有特霍夫特（1999年獲獎(jiǎng)）、施里弗（1972年獲獎(jiǎng)）、穆斯堡爾（1961年獲獎(jiǎng)）等，均為因博士期間發(fā)表的論文或者博士學(xué)位論文取得的研究成果獲獎(jiǎng)。
獲獎(jiǎng)?wù)吆喗?/h3>
阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin），美國物理學(xué)家，被稱為激光輻射壓力之父。于1922年在美國紐約出生，1947年于哥倫比亞大學(xué)獲得物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，1952年于康奈爾大學(xué)取得核物理博士學(xué)位。1942-1945年任職于哥倫比亞輻射實(shí)驗(yàn)室，1952-1991年任職于貝爾實(shí)驗(yàn)室。
熱拉爾·穆魯（Gerard Mourou），法國物理學(xué)家，是法國電氣工程和激光領(lǐng)域的先驅(qū)。于1944年在法國阿爾貝維爾出生，1973年獲得博士學(xué)位，現(xiàn)為美國密歇根大學(xué)的名譽(yù)教授。
唐娜·斯特里克蘭（Donna Strickhnd），加拿大物理學(xué)家，歷史上第三位獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的女性科學(xué)家。于1959年出生在加拿大貴湖，1989年從美國羅徹斯特大學(xué)獲得博士學(xué)位，現(xiàn)為美國滑鐵盧大學(xué)副教授。
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