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2018年的诺贝尔物理学奖于中国时间10月2日揭晓，Arthur Ashkin 因为发明光镊技术（Optical Tweezer），独享一半奖金；Gérard Mourou 和 Donna Strickland 因为发明啁啾脉冲放大技术（Chirped Pulse Amplification），分享另一半奖金。

可能有人会疑惑，怎么颁给了两个看起来不相关的技术？

实际上，我们应该理解为，今年获奖的领域为激光物理。

自从激光在1960年被发明之后，与激光有直接关系的诺贝尔奖有几十项之多。今年的物理学奖奖励的确实是两项相互之间没有多大关联的激光技术，这两项技术的背后并无多少深刻物理可言，但它们开启了多个崭新的学科，为人类认识世界提供了前所未有的强大工具，尽管出乎很多人的预料，但的确实至名归。

u  发明光镊技术 96岁Arthur Ashkin教授独享一半奖金

Arthur Ashkin发明了光镊技术，也就是利用激光光束，像镊子一样去“夹”起微观粒子（原子、分子等）和微小物体（比如细胞、病毒等）。

今天，我们就先试着让大家了解一下这个能够以光的力量来操纵细胞的诺奖成就。

·       光镊诞生的发想——光之力

伴随着上世纪60年代以来激光束流相关的产生、控制技术的进展，利用光来操作微小物体的“光镊”随之登上了历史舞台。阿瑟·阿什金教授曾在贝尔实验室和朗讯科技公司任职，他很早就开始进行光操控微粒的研究工作，并最终于1986年公开了他的第一代光镊。

大家都知道光可以协助动物产生视觉，可以为植物提供能量来源，可以加热物体，但是对“光的力学领域”可能并不熟悉。实际上，光镊正是利用了“光的力”（Photon force/ radiation pressure，可以译为光压、辐射压等等），并诞生了举世瞩目的成果。

什么是“光的力”？

中学物理中，我们已经了解了光同时具有波和粒子的双重性质，所谓波粒二象性。与人体被飞来的棒球击中后产生冲击一样，光的粒子即光子在接触物体后，同样会对该物体施加力的作用。

你可能会感到奇怪，既然如此，我们为什么没有被强烈的日光或者探照灯击倒在地呢？

这是因为，光的压力大概仅仅在10亿分之一到100亿分之一N这个数量级，所以说能用肉身感受到光压的人显然是不存在的。1871年，电磁学集大成者麦克斯韦在理论上预言了辐射压力现象。辐射压力很小，将平均功率为5毫瓦的激光垂直入射到镜子表面，假定所有光被反射，那么镜面所感受到的压力只有33×10^-12牛顿。

然而，越是微小的物体，就越容易被微小的力所撼动。例如，红血球、细菌一类人体细胞或者微生物等等都对光压非常敏感。来自光的微小压力可以让微小的物体在不受到积压破坏的前提下进行移动。

·       光镊是如何让光操控微粒成为可能的

具体来说，光镊系统一般由照明光路和控制光路构成。

照明光路负责采集成像所需的信号，而控制光路用来控制和限制微小物体的运动。控制光路的核心是汇聚性能特别好的激光束发射系统。

光镊系统示意图，红色代表控制光路，蓝色代表照明光路，操纵室位于中间，最右侧代表位置测量装置

激光的特性之一就是可以被汇聚到一个十分微小的光斑上，这是普通光源所无法实现的。在焦点附近的物体的不同部分感受到来自不同方向上的光线，这些光线在物体表面既有反射又有折射，反射和折射改变光的动量，因此光对物体产生力的作用，由于光强在焦点附近呈梯度分布，从而对物体产生了梯度力（Gradient force）。如果物体很小（纳米到微米量级）也很轻，它就会被聚焦光束限制在焦点附近、合力为零的平衡位置。

对于所要操控的微小物体来说，这种激光束汇聚形成的强聚焦光斑会形成一个类似“陷阱”的机构（称为三维光学势阱），微粒将会被束缚在其中。

一旦微粒偏离这个“陷阱”中的能量最低点（即位置的稳定点），就会受到指向稳定点的恢复力作用，好像掉进了一个无法摆脱的“陷阱”一般。如果移动聚焦光斑，微粒也会随之移动，因此便能实现对微粒的捕获和操控。

激光汇聚在束流最细处（称为“光腰”），微粒将在此处被俘获于三维光学势阱

·       光镊技术早已大显神通

光镊技术在生物学研究领域已经有了相当广泛的应用，例如将不同细胞挤压在一起，或者向细胞中注入微量物质或者微小物体一类场合，都是光镊大显身手的时机。

又比如，在环境科学领域，经常会有区分水中数种微小物体的需求，利用光镊可以将各种物质在无损条件下容易地分离，给之后的精密分析创造良好的条件。

此外，在操控的同时，鉴于激光波长良好的稳定性和高精度，光镊还可以同时获得大量空间测量数据。

一个有趣的应用实例就是，有研究人员利用光镊测量了驱动蛋白在微管上行走的距离数据，从而推算出驱动蛋白每走一步的能量正好相当于一个ATP水解所释放的能量，堪称光镊操控性和测量性结合的绝好案例。

图片来自百度百科“驱动蛋白”词条

u  因发明啁啾脉冲放大技术,师徒共享一半的诺奖奖金

Gerard Mourou和 Donna Strickland因发明啁啾脉冲放大技术而平分今年一半的诺贝尔物理学奖奖金。这项技术关注的是如何通过不断的放大从而提高一个超短脉冲的峰值功率。

1961年，也就是激光被发明之后的第二年，人们就发现激光可以与物质进行非线性的相互作用，产生新的光谱分量，从而诞生了非线性光学这一学科。

非线性相互作用的强弱依赖于光的功率。最为有效的增强激光与物质非线性相互作用的手段是将光的能量集中在很短的一段时间内（比如一个纳秒或者更短），从而获得极高的峰值功率。因此，在70年代，激光技术的一个主流研究方向是如何获得时间上越来越短的光脉冲，并诞生了另外一门学科—超快光学。

很快，人们就意识到，如果要进一步提高脉冲的峰值功率，需要对脉冲进行多级放大。但问题是，当脉冲对峰值功率足够高时，会和放大装置本身产生非线性相互作用，破坏光束质量，甚至损坏放大装置。

1985年，Gerard Mourou和 Donna Strickland通过发明啁啾脉放大技术（Chirped Pulse Amplification）有效地解决了这一问题。

·       具体是如何解决呢？

一个激光脉冲的频谱包括不同的频率分量，不同地频率分量在物质中传输地速度不同，因而脉冲会在传输过程中逐渐变宽。

Gerard Mourou和 Donna Strickland让该脉冲在一段很长的光纤中传播，从而将脉冲展宽为原来宽度的100多倍，相应的脉冲峰值功率也降低了100多倍。然后，将该被展宽的脉冲进行放大，便可以有效抑制非线性效应；放大之后，再利用一个压缩器将脉冲压缩回原来的宽度。

这样，通过展宽－放大－压缩就可以得到峰值功率极高的超短光脉冲，也从而诞生了超强超快激光这一研究领域。

啁啾脉冲放大从锁模激光器（1）的短激光脉冲开始，然后及时拉伸，以降低其强度并使其适合于放大到高能量。首先使用衍射光栅（2）开始短脉冲的色散，产生随时间扫描频率的脉冲。一旦脉冲被安全放大（3），该频率扫描将被反转（4），将脉冲压缩回接近其原始宽度和持续时间

这项技术有一个非常形象的名字—啁啾（读作“zhōu jiū”）脉冲放大。

被放大之前的脉冲经过光纤展宽后，由于不同频率成分传输速度不一样，导致脉冲的瞬时频率会随着时间变化。啁啾是形容鸟叫的声音，如果仔细听，就会发现鸟叫的声音频率也会随时间变化，先低后高。

在超快光学中，啁啾已经成为一个异常重要的物理术语。

·       啁啾脉冲放大技术已经成为产生超强超短脉冲激光必须采用的技术。

欧盟正在建设中的未来国际上最强的激光装置——ELI装置，其输出的超短脉冲可望具有200PW的峰值功率，经过聚焦后有望得到近10^(24-25)W/cm2超高强度，这将开启崭新的物理研究，揭示极端条件下的物理规律。