圖注：激光物理科學(xué)家 ( )、Jia Jha 和 Donna 來(lái)源/諾貝爾獎(jiǎng)官方網(wǎng)站
北京時(shí)間10月2日下午5點(diǎn)52分，2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉。 美國(guó)科學(xué)家阿瑟·阿什金 ( )、法國(guó)科學(xué)家杰拉德·莫羅 (Gérard ) 和加拿大科學(xué)家唐娜·斯特里克蘭 (Donna ) 因其“激光物理領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性發(fā)明”而獲得了榮譽(yù)共享獎(jiǎng)。 三位科學(xué)家的研究為激光物理學(xué)帶來(lái)了革命性的進(jìn)展，讓人類獲得了探索從微觀世界到遙遠(yuǎn)宇宙的新視野和方法。 它還帶來(lái)了物理、化學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等許多領(lǐng)域的基礎(chǔ)和科學(xué)知識(shí)。 應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。
圖注：激光源/瑞典皇家科學(xué)院官方網(wǎng)站
神奇光鑷
昨天的新聞發(fā)布會(huì)推遲了5分鐘，因?yàn)橹Z貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)委員會(huì)在會(huì)前給阿瑟·阿什金打電話時(shí)被拒絕接受電話采訪。 這位96歲的科學(xué)家拒絕了彈簧物理學(xué)家，因?yàn)樗罢χ鴮懠す庹撐摹薄?阿什金教授被稱為“光捕獲”之父，已在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作了40年。 該獎(jiǎng)項(xiàng)歸功于他“光鑷”的發(fā)明及其在生物系統(tǒng)中的應(yīng)用。
隨著現(xiàn)代光學(xué)顯微鏡技術(shù)的快速發(fā)展，“看見(jiàn)”已經(jīng)越來(lái)越不成為問(wèn)題，超分辨熒光顯微鏡成像技術(shù)的分辨率已達(dá)到納米級(jí)別。 然而，對(duì)于微觀科學(xué)研究來(lái)說(shuō)，除了“看得見(jiàn)”之外，還需要“觸覺(jué)”。 中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)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(dòng)的應(yīng)用不計(jì)其數(shù)。 它們可以像鑷子一樣“從遠(yuǎn)處”觀察、翻轉(zhuǎn)、切割、推拉，被科學(xué)家用來(lái)研究蛋白質(zhì)、DNA 和細(xì)胞內(nèi)部運(yùn)作等生物過(guò)程。 物理學(xué)家朱棣文因使用“光鑷”捕獲原子而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。 衍生的光學(xué)全息術(shù)相當(dāng)于數(shù)千個(gè)鑷子同時(shí)工作，可用于抗瘧疾研究等中將健康血細(xì)胞與感染細(xì)胞分離。
這種“光鑷”起源于阿什金在20世紀(jì)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(rèn)識(shí)到，激光是用光束移動(dòng)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(dòng)并聚焦到光束的中間。 因此，他成為第一個(gè)觀察原子上的光學(xué)梯度力的人，第一個(gè)對(duì)原子進(jìn)行激光冷卻的人，第一個(gè)觀察原子的光學(xué)捕獲的人。 他還將這項(xiàng)工作擴(kuò)展到捕獲和操縱細(xì)菌、病毒和細(xì)胞等生物材料。 這些方法探索細(xì)胞內(nèi)部并操縱其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為理解人體正常和疾病狀態(tài)的新方法奠定了基礎(chǔ)。
讓激光更強(qiáng)
除了利用激光“操縱”物質(zhì)之外，讓激光變得“超強(qiáng)”一直是科學(xué)家們努力的方向。 然而，通往超強(qiáng)激光器的道路并非一帆風(fēng)順。 研究人員很早就發(fā)現(xiàn)，對(duì)于短脈沖來(lái)說(shuō)，光強(qiáng)度的增加是有極限的，因?yàn)楫?dāng)光強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)破壞放大介質(zhì)，原來(lái)的放大方法遇到了瓶頸。 “20世紀(jì)80年代，斯特里克蘭和莫羅發(fā)明了啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA）。這種方法將短脈沖激光像彈簧一樣來(lái)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(chǔ)上，進(jìn)一步放大激光能量不會(huì)損壞放大介質(zhì)，然后將激光脈沖壓縮回去可以將光的強(qiáng)度提高多個(gè)數(shù)量級(jí)并產(chǎn)生短而強(qiáng)的脈沖。” 上海交通大學(xué)激光等離子體實(shí)驗(yàn)教授史陳民解釋道：“利用這種超短脈沖激光與物質(zhì)相互作用，可以使物質(zhì)瞬間電離形成等離子體，開(kāi)辟了新的研究前沿，從而推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展。” CPA技術(shù)不僅為強(qiáng)激光的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)，并打開(kāi)了物理、化學(xué)和醫(yī)學(xué)等多個(gè)研究領(lǐng)域和應(yīng)用的大門。 就像人的手和眼睛一樣，超短脈沖強(qiáng)激光為人類認(rèn)識(shí)極限世界提供了新的途徑。 它們可以在實(shí)驗(yàn)室里探索宇宙，讓人類“看到”飛秒甚至阿秒時(shí)間。 范圍內(nèi)發(fā)生的過(guò)程。
兩位獲獎(jiǎng)?wù)吲c中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)互動(dòng)頻繁，與上海關(guān)系密切。 師徒多次來(lái)中國(guó)科學(xué)院上海光機(jī)所講學(xué)、參加學(xué)術(shù)會(huì)議。 莫羅還是中科院愛(ài)因斯坦講座教授，參與了我國(guó)“極限光物理線站（SEL）100拍瓦激光器研制計(jì)劃”的論證。 莫羅團(tuán)隊(duì)與上海交通大學(xué)激光等離子體團(tuán)隊(duì)幾年前就開(kāi)始了國(guó)際合作，并發(fā)表了多篇聯(lián)合署名論文。 更重要的是，作為科技創(chuàng)新“國(guó)家重要武器”而正在建設(shè)的上海超超短激光裝置（SULF），就是基于這兩位“新科學(xué)”諾貝爾獎(jiǎng)獲得者提出的CPA技術(shù)原理。
斯特里克蘭是歷史上第三位獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的女性。 她的獲獎(jiǎng)也讓大家關(guān)注到在物理領(lǐng)域辛勤耕耘、貢獻(xiàn)智慧的女性研究人員。 莫羅更為特別。 在同事眼中，這位法國(guó)科學(xué)家非常“酷”。 物理學(xué)界流傳著一段關(guān)于超強(qiáng)激光項(xiàng)目的科普視頻。 莫羅的團(tuán)隊(duì)表演得很熱情。 莫羅甚至穿上了實(shí)驗(yàn)室外套，戴上炫酷的激光護(hù)目鏡，隨著歌曲搖擺起舞。
更光明的未來(lái)
科學(xué)家普遍認(rèn)為，超強(qiáng)激光光源的研究正處于實(shí)現(xiàn)重大科技突破和發(fā)展重大應(yīng)用的前夜。 國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)異常激烈。 未來(lái)將在捷克、匈牙利、羅馬尼亞建設(shè)三個(gè)極強(qiáng)場(chǎng)物理研究平臺(tái)，并建設(shè)多個(gè)峰值單元。 功率達(dá)到數(shù)拍瓦（10^15瓦）的激光設(shè)施。 但這也是中國(guó)科學(xué)家有望取得重大突破、成為世界最先進(jìn)的前沿科技領(lǐng)域。
早在2015年，以“超強(qiáng)激光光源及其前沿應(yīng)用”為主題的象山科學(xué)會(huì)議就在上海召開(kāi)。 Jha 等眾多超強(qiáng)超短激光和強(qiáng)場(chǎng)物理領(lǐng)域的國(guó)際知名學(xué)者出席了會(huì)議。 莫羅等與會(huì)專家充分肯定了建設(shè)10拍瓦以上超強(qiáng)激光光源的重要意義，并表示中國(guó)在超強(qiáng)激光器件研制方面具有良好的基礎(chǔ)和特色。 期待中國(guó)科學(xué)家在這一領(lǐng)域有所發(fā)展。 前沿科學(xué)技術(shù)取得重大突破。
上海不負(fù)國(guó)際激光科學(xué)界的期望。 2016年8月彈簧物理學(xué)家，SULF成功實(shí)現(xiàn)5拍瓦激光脈沖輸出，達(dá)到當(dāng)時(shí)國(guó)際領(lǐng)先水平！ 2017年2月，國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》的一篇評(píng)論文章引用了莫羅教授的評(píng)論“中國(guó)科學(xué)家打破了最高激光脈沖峰值功率的世界紀(jì)錄”。 2017年10月，SULF裝置成功實(shí)現(xiàn)10拍瓦激光放大輸出，達(dá)到國(guó)際同類研究領(lǐng)先水平和全球最高激光脈沖峰值功率。
2017年7月，激光行業(yè)又一重要會(huì)議——SEL國(guó)際專家論證會(huì)在上海召開(kāi)。 極限光物理線（SEL）100拍瓦激光器研制計(jì)劃是“十三五”國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目“硬X射線自由電子激光裝置”的組成部分。 經(jīng)過(guò)論證，賈·莫羅等10余位國(guó)際知名學(xué)者組成的專家組對(duì)這一雄心勃勃的科研計(jì)劃和實(shí)施方案給予高度認(rèn)可，認(rèn)為該裝置可以開(kāi)展真空QED現(xiàn)象探測(cè)、黑洞物理模擬等多項(xiàng)新物理研究將為科學(xué)發(fā)現(xiàn)帶來(lái)許多機(jī)遇，也將大大拓展硬X射線自由電子激光器件的研究領(lǐng)域。
上海交通大學(xué)還計(jì)劃在李政道研究院建設(shè)15拍瓦（10^16瓦）強(qiáng)大的激光裝置。 這些裝置的完成將進(jìn)一步增強(qiáng)人類對(duì)極端物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。 “上海交通大學(xué)張杰院士領(lǐng)導(dǎo)的強(qiáng)場(chǎng)激光物理團(tuán)隊(duì)正在基于此類激光器件開(kāi)展多項(xiàng)工作：如開(kāi)發(fā)超小型、低成本的激光加速器和輻射源，預(yù)計(jì)比傳統(tǒng)加速器小1000倍；在實(shí)驗(yàn)室中利用強(qiáng)激光等離子體物體的作用可以模擬天體現(xiàn)象；此外，我們將探索利用此類激光裝置來(lái)研究新的聚變途徑，并努力解決人類的終極能源問(wèn)題等等。”陳敏說(shuō)。
該團(tuán)隊(duì)近日榮獲香港求是基金會(huì)頒發(fā)的2018年度杰出科技成果團(tuán)體獎(jiǎng)，以表彰他們?cè)谠擃I(lǐng)域的貢獻(xiàn)：他們基于CPA技術(shù)，進(jìn)一步提出并驗(yàn)證了準(zhǔn)參數(shù)放大（QPCPA）的創(chuàng)新理念，突破突破制約超短超強(qiáng)激光極限放大能力的世界性瓶頸，研發(fā)出超高動(dòng)態(tài)范圍超短超強(qiáng)激光單次信噪比測(cè)量?jī)x器，超過(guò)國(guó)際報(bào)告最佳指標(biāo)4項(xiàng)。 數(shù)量級(jí)，并已成功應(yīng)用于我國(guó)重大國(guó)防工程。 該團(tuán)隊(duì)還使用極強(qiáng)的激光脈沖與特殊配置的目標(biāo)相互作用，在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)建類似于天體環(huán)境的高能量密度材料狀態(tài)，以便更深入地了解重要的天體物理現(xiàn)象和過(guò)程。 完成的研究有助于了解空間氣候?qū)θ祟惿a(chǎn)和生活的影響。 激光強(qiáng)場(chǎng)物理團(tuán)隊(duì)在新型等離子體加速和高強(qiáng)度超快輻射研究方面也取得重要進(jìn)展。 所提出的電離注入機(jī)制突破了國(guó)際上激光加速應(yīng)用和發(fā)展的瓶頸，大大提高了加速電子束的質(zhì)量和穩(wěn)定性。 。
未來(lái)，超短超強(qiáng)激光將進(jìn)一步推進(jìn)人類對(duì)真空的認(rèn)識(shí)。 也許在不久的將來(lái)，利用強(qiáng)激光在真空中產(chǎn)生物質(zhì)，就可以從無(wú)到有地創(chuàng)造物質(zhì)。
新民晚報(bào)記者 易蓉