獲2018諾獎的鐳射物理技術 為什麼要用鳥叫命名？

2018年的諾貝爾物理學獎於中國時間10月2日揭曉，Arthur Ashkin 因為發明光鑷技術（Optical Tweezer），獨享一半獎金；Gérard Mourou 和 Donna Strickland 因為發明啁啾脈衝放大技術（Chirped Pulse Amplification），分享另一半獎金。

可能有人會疑惑，怎麼頒給了兩個看起來不相關的技術？

實際上，我們應該理解為，今年獲獎的領域為鐳射物理。

自從鐳射在1960年被髮明之後，與鐳射有直接關係的諾貝爾獎有幾十項之多。今年的物理學獎獎勵的確實是兩項相互之間沒有多大關聯的鐳射技術，這兩項技術的背後並無多少深刻物理可言，但它們開啟了多個嶄新的學科，為人類認識世界提供了前所未有的強大工具，儘管出乎很多人的預料，但的確實至名歸。

發明光鑷技術96歲Arthur Ashkin教授獨享一半獎金

Arthur Ashkin發明了光鑷技術，也就是利用鐳射光束，像鑷子一樣去“夾”起微觀粒子（原子、分子等）和微小物體（比如細胞、病毒等）。

這背後的原理可以藉助動量這一概念來理解。

在中學物理中，我們知道一個運動物體所具有的動量等於該物體的質量乘以它的速度。當兩個物體發生彈性碰撞時，動量可以在二者之間轉移。比如在打檯球時，用白色主球撞擊其他球的過程，也就是將白色主球的部分或者全部動量轉移給其他球的過程。

光具有粒子性，自然也具有動量。當照射在鏡面上的光被鏡子反射時，光的動量發生改變，從而對鏡子產生一個壓力（推力），這種壓力也被稱為輻射壓力（Radiation pressure）。

光對被照射的物體施加輻射壓力這一概念，最早由德國數學家和天文學家開普勒在1619年提出。

當時人們發現彗星接近太陽時，總是拖著長長的尾巴（彗尾），而且尾巴總是出現在彗星背向太陽的一側。開普勒認為是太陽光的輻射壓力將彗星中很多塵埃顆粒推向彗星身後，從而在其背向太陽的一側形成彗尾。

哈雷彗星在1986年到訪地球附近（圖片來源：NASA）。在中國傳統文化中，彗星象徵著不吉利。又因為看起來像個掃把，所以彗星在中國又被稱為掃把星。哈雷彗星每76年光臨一次地球。世界上公認的對哈雷彗星最早的記錄，來源於《史記》。

1871年，電磁學集大成者麥克斯韋在理論上預言了輻射壓力現象。輻射壓力很小，將平均功率為5毫瓦的鐳射垂直入射到鏡子表面，假定所有光被反射，那麼鏡面所感受到的壓力只有33×10^-12牛頓。

如果將光束聚焦，在焦點附近的物體的不同部分感受到來自不同方向上的光線，這些光線在物體表面既有反射又有折射，反射和折射改變光的動量，因此光對物體產生力的作用，由於光強在焦點附近呈梯度分佈，從而對物體產生了梯度力（Gradient force）。如果物體很小（奈米到微米量級）也很輕，它就會被聚焦光束限制在焦點附近、合力為零的平衡位置。通過移動光束的焦點位置，被“抓住”的微小物體也會隨之被移動。

1970年，在貝爾實驗室工作的Ashkin發明了這種光鑷技術，隨即被廣泛應用於生物學研究，用於操作生物大分子或者細胞等，開闢了許多嶄新的領域。

圖片來自於維基百科

因發明啁啾脈衝放大技術師徒共享一半的諾獎獎金

Gerard Mourou和 Donna Strickland因發明啁啾脈衝放大技術而平分另外一半的諾貝爾獎。

這項技術關注的是如何通過不斷的放大從而提高一個超短脈衝的峰值功率。

1961年，也就是鐳射被髮明之後的第二年，人們就發現鐳射可以與物質進行非線性的相互作用，產生新的光譜分量，從而誕生了非線性光學這一學科。

非線性相互作用的強弱依賴於光的功率。最為有效的增強鐳射與物質非線性相互作用的手段是將光的能量集中在很短的一段時間內（比如一個納秒或者更短），從而獲得極高的峰值功率。因此，在70年代，鐳射技術的一個主流研究方向是如何獲得時間上越來越短的光脈衝，並誕生了另外一門學科—超快光學。

很快，人們就意識到，如果要進一步提高脈衝的峰值功率，需要對脈衝進行多級放大。但問題是，當脈衝對峰值功率足夠高時，會和放大裝置本身產生非線性相互作用，破壞光束質量，甚至損壞放大裝置。

1985年，Gerard Mourou和 Donna Strickland通過發明啁啾脈放大技術有效地解決了這一問題。

具體是如何解決呢？

一個鐳射脈衝的頻譜包括不同的頻率分量，不同地頻率分量在物質中傳輸地速度不同，因而脈衝會在傳輸過程中逐漸變寬。

Gerard Mourou和 Donna Strickland讓該脈衝在一段很長的光纖中傳播，從而將脈衝展寬為原來寬度的100多倍，相應的脈衝峰值功率也降低了100多倍。然後，將該被展寬的脈衝進行放大，便可以有效抑制非線性效應；放大之後，再利用一個壓縮器將脈衝壓縮回原來的寬度。

這樣，通過展寬-放大-壓縮就可以得到峰值功率極高的超短光脈衝，也從而誕生了超強超快鐳射這一研究領域。

圖片來自於Gerard Mourou和 Donna Strickland1985年發表的文章

這項技術有一個非常形象的名字—啁啾（讀作“zhōu jiū”）脈衝放大。

被放大之前的脈衝經過光纖展寬後，由於不同頻率成分傳輸速度不一樣，導致脈衝的瞬時頻率會隨著時間變化。啁啾是形容鳥叫的聲音，如果仔細聽，就會發現鳥叫的聲音訊率也會隨時間變化，先低後高。

在超快光學中，啁啾已經成為一個異常重要的物理術語。

圖片來自於Gerard Mourou

啁啾脈衝放大技術正大放異彩

自問世後，啁啾脈衝放大技術已經成為產生超強超短脈衝鐳射必須採用的技術。

歐盟正在建設中的未來國際上最強的鐳射裝置——ELI裝置，其輸出的超短脈衝可望具有200PW的峰值功率，經過聚焦後有望得到近10^（24-25）W/cm2超高強度，這將開啟嶄新的物理研究，揭示極端條件下的物理規律。

我國在超快超強鐳射具有非常紮實的基礎，已經取得了一批國際領先的成果。

就在啁啾脈衝放大技術發明的幾年後，在侯洵院士領銜的“攀登計劃”支援下，中科院西安光機所、天津大學等單位對該技術進行了系統研究。近年來，中科院物理研究所、上海光機所及中國工程物理研究院等單位在科技部、863及基金委等專案的持續支援下，相繼取得了突破世界紀錄的結果。如物理所2011年率先在國際上基於該技術利用鈦寶石鐳射取得了大於1PW的結果，上海光機所利用該技術在5PW的基礎上，去年又獲得了10PW的目前最高峰值功率。我國科學家取得的相關成果，已在國際上形成重要影響，極大地提高了我國在該領域的國際地位。

Gerard Mourou是我的導師的導師，雖然已經74歲，但一直活躍在超快超強鐳射的學術前沿 。就在幾年前，他領導成立了一個新的國際研究中心——The International Center for Zetta-Exawatt Science and Technology （IZEST），目前全世界已有30多家研究單位加盟。依託該中心，Gerard Mourou希望研究出新一代的鐳射技術，能夠將鐳射的峰值功率在現在的水平上繼續提高3-5個數量級。