圖注：激光物理科學家 ( )、Jia Jha 和 Donna 來源/諾貝爾獎官方網站
北京時間10月2日下午5點52分，2018年諾貝爾物理學獎揭曉。 美國科學家阿瑟·阿什金 ( )、法國科學家杰拉德·莫羅 (Gérard ) 和加拿大科學家唐娜·斯特里克蘭 (Donna ) 因其“激光物理領域的開創性發明”而獲得了榮譽共享獎。 三位科學家的研究為激光物理學帶來了革命性的進展，讓人類獲得了探索從微觀世界到遙遠宇宙的新視野和方法。 它還帶來了物理、化學、生物學和醫學等許多領域的基礎和科學知識。 應用程序開發。
圖注：激光源/瑞典皇家科學院官方網站
神奇光鑷
昨天的新聞發布會推遲了5分鐘，因為諾貝爾獎頒獎委員會在會前給阿瑟·阿什金打電話時被拒絕接受電話采訪。 這位96歲的科學家拒絕了彈簧物理學家，因為他“正忙著寫激光論文”。 阿什金教授被稱為“光捕獲”之父，已在貝爾實驗室工作了40年。 該獎項歸功于他“光鑷”的發明及其在生物系統中的應用。
隨著現代光學顯微鏡技術的快速發展，“看見”已經越來越不成為問題，超分辨熒光顯微鏡成像技術的分辨率已達到納米級別。 然而，對于微觀科學研究來說，除了“看得見”之外，還需要“觸覺”。 中國科學院西安光學精密機械研究所研究員姚保利將“光鑷”形容為能“觸摸”微觀粒子的“手”。
如今，光鑷推動的應用不計其數。 它們可以像鑷子一樣“從遠處”觀察、翻轉、切割、推拉，被科學家用來研究蛋白質、DNA 和細胞內部運作等生物過程。 物理學家朱棣文因使用“光鑷”捕獲原子而獲得諾貝爾獎。 衍生的光學全息術相當于數千個鑷子同時工作，可用于抗瘧疾研究等中將健康血細胞與感染細胞分離。
這種“光鑷”起源于阿什金在20世紀60年代的好奇心——光是溫暖的，它是否具有抓取或控制物體的“力量”？ 阿什金從彩虹般的光散射中認識到，激光是用光束移動微觀粒子的理想選擇。 他照亮了微米大小的透明球體，這些球體神奇地移動并聚焦到光束的中間。 因此，他成為第一個觀察原子上的光學梯度力的人，第一個對原子進行激光冷卻的人，第一個觀察原子的光學捕獲的人。 他還將這項工作擴展到捕獲和操縱細菌、病毒和細胞等生物材料。 這些方法探索細胞內部并操縱其內部結構，為理解人體正常和疾病狀態的新方法奠定了基礎。
讓激光更強
除了利用激光“操縱”物質之外，讓激光變得“超強”一直是科學家們努力的方向。 然而，通往超強激光器的道路并非一帆風順。 研究人員很早就發現，對于短脈沖來說，光強度的增加是有極限的，因為當光強度達到一定程度時，就會破壞放大介質，原來的放大方法遇到了瓶頸。 “20世紀80年代，斯特里克蘭和莫羅發明了啁啾脈沖放大技術（CPA）。這種方法將短脈沖激光像彈簧一樣來回拉伸，大大增加了脈沖寬度，從而提高了峰值功率。在此基礎上，進一步放大激光能量不會損壞放大介質，然后將激光脈沖壓縮回去可以將光的強度提高多個數量級并產生短而強的脈沖。” 上海交通大學激光等離子體實驗教授史陳民解釋道：“利用這種超短脈沖激光與物質相互作用，可以使物質瞬間電離形成等離子體，開辟了新的研究前沿，從而推動了物理學的發展。” CPA技術不僅為強激光的開發奠定了基礎，并打開了物理、化學和醫學等多個研究領域和應用的大門。 就像人的手和眼睛一樣，超短脈沖強激光為人類認識極限世界提供了新的途徑。 它們可以在實驗室里探索宇宙，讓人類“看到”飛秒甚至阿秒時間。 范圍內發生的過程。
兩位獲獎者與中國科研團隊互動頻繁，與上海關系密切。 師徒多次來中國科學院上海光機所講學、參加學術會議。 莫羅還是中科院愛因斯坦講座教授，參與了我國“極限光物理線站（SEL）100拍瓦激光器研制計劃”的論證。 莫羅團隊與上海交通大學激光等離子體團隊幾年前就開始了國際合作，并發表了多篇聯合署名論文。 更重要的是，作為科技創新“國家重要武器”而正在建設的上海超超短激光裝置（SULF），就是基于這兩位“新科學”諾貝爾獎獲得者提出的CPA技術原理。
斯特里克蘭是歷史上第三位獲得諾貝爾物理學獎的女性。 她的獲獎也讓大家關注到在物理領域辛勤耕耘、貢獻智慧的女性研究人員。 莫羅更為特別。 在同事眼中，這位法國科學家非常“酷”。 物理學界流傳著一段關于超強激光項目的科普視頻。 莫羅的團隊表演得很熱情。 莫羅甚至穿上了實驗室外套，戴上炫酷的激光護目鏡，隨著歌曲搖擺起舞。
更光明的未來
科學家普遍認為，超強激光光源的研究正處于實現重大科技突破和發展重大應用的前夜。 國際競爭異常激烈。 未來將在捷克、匈牙利、羅馬尼亞建設三個極強場物理研究平臺，并建設多個峰值單元。 功率達到數拍瓦（10^15瓦）的激光設施。 但這也是中國科學家有望取得重大突破、成為世界最先進的前沿科技領域。
早在2015年，以“超強激光光源及其前沿應用”為主題的象山科學會議就在上海召開。 Jha 等眾多超強超短激光和強場物理領域的國際知名學者出席了會議。 莫羅等與會專家充分肯定了建設10拍瓦以上超強激光光源的重要意義，并表示中國在超強激光器件研制方面具有良好的基礎和特色。 期待中國科學家在這一領域有所發展。 前沿科學技術取得重大突破。
上海不負國際激光科學界的期望。 2016年8月彈簧物理學家，SULF成功實現5拍瓦激光脈沖輸出，達到當時國際領先水平！ 2017年2月，國際權威學術期刊《科學》的一篇評論文章引用了莫羅教授的評論“中國科學家打破了最高激光脈沖峰值功率的世界紀錄”。 2017年10月，SULF裝置成功實現10拍瓦激光放大輸出，達到國際同類研究領先水平和全球最高激光脈沖峰值功率。
2017年7月，激光行業又一重要會議——SEL國際專家論證會在上海召開。 極限光物理線（SEL）100拍瓦激光器研制計劃是“十三五”國家重大科技基礎設施項目“硬X射線自由電子激光裝置”的組成部分。 經過論證，賈·莫羅等10余位國際知名學者組成的專家組對這一雄心勃勃的科研計劃和實施方案給予高度認可，認為該裝置可以開展真空QED現象探測、黑洞物理模擬等多項新物理研究將為科學發現帶來許多機遇，也將大大拓展硬X射線自由電子激光器件的研究領域。
上海交通大學還計劃在李政道研究院建設15拍瓦（10^16瓦）強大的激光裝置。 這些裝置的完成將進一步增強人類對極端物質世界的認識。 “上海交通大學張杰院士領導的強場激光物理團隊正在基于此類激光器件開展多項工作：如開發超小型、低成本的激光加速器和輻射源，預計比傳統加速器小1000倍；在實驗室中利用強激光等離子體物體的作用可以模擬天體現象；此外，我們將探索利用此類激光裝置來研究新的聚變途徑，并努力解決人類的終極能源問題等等。”陳敏說。
該團隊近日榮獲香港求是基金會頒發的2018年度杰出科技成果團體獎，以表彰他們在該領域的貢獻：他們基于CPA技術，進一步提出并驗證了準參數放大（QPCPA）的創新理念，突破突破制約超短超強激光極限放大能力的世界性瓶頸，研發出超高動態范圍超短超強激光單次信噪比測量儀器，超過國際報告最佳指標4項。 數量級，并已成功應用于我國重大國防工程。 該團隊還使用極強的激光脈沖與特殊配置的目標相互作用，在實驗室中創建類似于天體環境的高能量密度材料狀態，以便更深入地了解重要的天體物理現象和過程。 完成的研究有助于了解空間氣候對人類生產和生活的影響。 激光強場物理團隊在新型等離子體加速和高強度超快輻射研究方面也取得重要進展。 所提出的電離注入機制突破了國際上激光加速應用和發展的瓶頸，大大提高了加速電子束的質量和穩定性。 。
未來，超短超強激光將進一步推進人類對真空的認識。 也許在不久的將來，利用強激光在真空中產生物質，就可以從無到有地創造物質。
新民晚報記者 易蓉
