今年被授予諾貝爾物理學獎的兩項工作，可以說徹底改變了雷射物理學。它們使科學家可以用全新的技術手段來觀測那些極其微觀的物質和超快的過程。不僅僅是物理學領域，在化學、生物學以及醫學等方面，已經有了大量基於這兩項工作而產生的精密儀器設備，它們或被用於基礎科學研究，或已在生活中有了實際的應用。
阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）發明了用雷射束操縱粒子、原子和分子的光鑷，這使得人們能夠在保證病毒、細菌以及其它活體細胞不被破壞的前提去檢測和操控它們。阿什金的光鑷為我們觀察和控制生命體的內部結構創造了全新的機會。
傑哈·莫羅（Gérard Mourou）與多娜·斯崔克蘭（Donna Strickland）為人類創造最短、最強的雷射脈衝鋪平了道路。他們開發的技術開闢了新的研究領域，並在工業和醫療領域產生了廣泛的應用。例如，每年有數百萬臺的眼睛手術是利用最鋒利的「雷射手術刀」來完成的。
在20世紀60年代開播的電視劇《星際迷航》中，牽引光束可以在沒有物理接觸的情形下，將包括小行星在內的任何物體給取回。在當時，這聽起來就是純粹的科幻。然而阿瑟·阿什金卻一直有一個夢想：如果有一天，光束真的可以用來工作、移動物體的話，那該有多好。
事實上，我們早就知道光是具有能量的，畢竟無論是誰在炎炎烈日下暴曬一會兒都會覺得很熱。但是，這樣的光壓強太小，別說是用來搬東西了，光照在我們身上，我們連一丁點兒的推力都感受不到。不過，換個角度去想，事情可能就不大一樣：這樣的力量對人體來說可能太小，但如果換成極小的粒子甚至是原子，光真的也推不動它們嗎？
我們都知道，普通的白光，例如最常見的太陽光，其實是混合了許多種顏色而產生的，光束在各個方向都會有散射。而雷射卻不相同，一方面，它具有很好的單色性，另一方面，它還同時具有很高的相干性，這是它區別於其它自然光最主要的兩個特性。
正因如此，阿什金意識到：雷射將會是利用光束移動微小粒子的理想工具。1960年，世界上第一臺雷射器發明問世後，阿什金立刻就用這個全新的雷射器在紐約城外的貝爾實驗室進行實驗。
他用雷射照射微米級的透明球體，結果如預期的一樣，球體立刻被移動了，而且是被拉到了光強最大的光束中心位置，阿什金對此感到很疑惑。對於這個現象的解釋是，無論雷射束有多麼細銳，其強度都會從中心開始向邊緣逐漸減弱，雷射施加在粒子上的輻射壓力也會因此產生變化，將粒子「擠壓」在光束的中間。
更進一步，阿什金增加了一個透鏡來聚焦雷射。從圖1(4)中我們可以看出，由於透鏡的加入，粒子被牢牢鎖定在焦點的位置——那一點的光強最大。於是，一個光阱誕生了，後來人們稱它為光鑷。
圖1 阿什金創造出的光阱，後來被稱作光鑷。
微米級的透明小球不是我們的終極目標，我們希望這樣的光阱可以捕獲單個的原子。從微米小球到單個原子，這中間的難度絕不僅僅是尺度縮小這麼簡單。首先，光鑷需要更強的作用力才能夠抓住原子；其次，當降低到原子尺度時，原子熱運動的影響不能被忽略。因此，我們必須找到一種方法去減慢原子的運動，並將其限制在一個極小的區域內。
直到1986年，隨著實驗條件和技術的日臻成熟，配合其它的技術手段，光鑷終於可以實現對單個原子的捕獲了。
隨著減速原子本身成為一個獨立的研究領域，阿什金髮現了光鑷的一個全新應用——研究生物系統。事實上，這個發現也算是一種機緣巧合。
為了用光鑷捕獲更小的粒子，他選擇小的花葉病毒作為樣品。非常碰巧的是，阿什金有一晚沒有對樣品做密封處理，於是在第二天，他發現樣品中充滿了四處運動的大的粒子。通過顯微鏡的觀察，他發現這些粒子其實是細菌，並且當它們靠近雷射束時，就無法自由地遊動，而是被囚禁在光阱中。
然而，他的綠色雷射能量太強，會把細菌殺死，所以需要一個相對來說弱一點的雷射來保證細菌可以存活。當換成紅外雷射時，細菌就可以安然無恙地在光阱中繁殖了。
隨後，阿什金的研究主要集中在其它一些不同的細菌、病毒和活細胞之中。他甚至證明了我們的光鑷可以在不破壞細胞膜的情況下進入到一個細胞的內部。
阿什金用他的光鑷開啟了一整個嶄新的應用領域。其中，一個重要的突破就是這個方法可以用來研究分子馬達的機械特性。分子馬達是一種在細胞內起到重要作用的生物大分子，第一個用光鑷具體描繪出的馬達蛋白是驅動蛋白，它會沿著微管（細胞骨架的一部分）一步一步地向前移動。
圖2 分子馬達驅動蛋白在光鑷的作用下沿著細胞骨架前進。
過去的幾年中，許多研究人員都受到阿什金的啟發，利用了他的方法並做了進一步的完善和優化。
無數應用的發展都離不開光鑷技術的發明與推動，它們使我們在不接觸到研究對象的前提下，就能對其進行觀測、翻轉、切割、推拉等操作。因此在很多實驗室中，光鑷成為了研究包括單個蛋白質分子、分子馬達、DNA或其它細胞內部活動等在內的生物過程的標準儀器。
光鑷的最新應用之一是光學全息術。這項技術使用上千個光鑷同時工作，能夠完成從受感染的血細胞中分離出健康的血細胞等各種任務，可以被廣泛應用於攻克瘧疾的研究中。
光鑷技術的誕生和發展，就仿佛科幻作品變成了我們日常生活中的現實。阿什金不斷地為他光鑷技術的發展感到震驚。而今年諾貝爾物理學獎的第二項工作——超短超強的雷射脈衝，也曾一度是研究人員們眼中並不現實的「未來科技」。
雷射是通過用少量光子生成更多光子的鏈式反應而產生的，這些光子可以以脈衝的形式被釋放出來。自雷射被發明以來，已經過去了約60年，研究人員在不斷嘗試產生強度更大的雷射脈衝。但是到上世紀80年代中期，這條路似乎已經走到盡頭，想要繼續增加雷射脈衝的強度而不破壞放大介質，這是不可能實現的。
當時，多娜·斯崔克蘭從加拿大來到了美國的羅切斯特大學，在這裡，她致力於投身雷射物理的研究。她之所以選擇這個研究方向，絕不僅僅是被那些把實驗室映照得像聖誕樹一樣漂亮的紅綠雷射束所吸引，她的導師傑哈•莫羅極具前瞻性的學術視野也在其中起到了至關重要的作用。
1985年12月，斯崔克蘭發表了自己的第一篇學術論文，在這篇文章中，關於雷射脈衝的放大問題終於有了突破，她的技術可以把雷射脈衝放大到空前的程度。
這項技術的靈感來自於一篇科普文章，只不過文中描述並非是可見光，而是雷達和它所用到的長波長無線電波。要想把這個想法移植到波長更短的可見光波上，無論是在理論層面還是實際操作層面都十分困難。為此，成功實現這些操作花費了他們幾年的時間，直到1985年，論文才得以正式發表。
斯崔克蘭和莫羅發明的新技術被稱作「啁啾脈衝放大」（CPA）這種方法可以說既簡單又優雅：取一束雷射脈衝，在時域上展寬，放大，然後再重新壓縮成短脈衝。
更通俗地說，當一束雷射在時域上展寬時，它的峰值功率會變得很低，這樣就可以在不破壞放大器的情況下放大脈衝。接下來，這束脈衝在時域上被壓縮，這意味著更多的光被壓縮到了一個很小的區域內，這樣就極大地增加了雷射脈衝的強度。
在研究過程中，他們一如既往地遇到了很多理論層面和實際操作層面的困難。例如，脈衝是用一種最新得到的2.5 km長的光纖來展寬的，但是真正進行實驗時，光線的另一端卻沒有光出來，這說明光纖在中間什麼地方斷掉了。在經歷了很多麻煩後，他們不得不將需要的光纖長度勉強壓縮到了1.4 km，以保證不再出什麼么蛾子。
實驗中遇到的另一個主要的挑戰是使實驗設備的不同部分同步，從而使得雷射延展器和壓縮器能夠協調工作，儘管很艱難，但這個問題最終也被順利解決了。1985年，斯崔克蘭和莫羅成功地告訴世人，他們優雅的想法在實踐上也是可行的。
圖3 CPA技術徹底革新了雷射技術，它通過一系列複雜的方法在避免破壞放大介質的前提下能夠發射超強、超短的脈衝雷射。CPA技術首先在時間域上將脈衝展寬降低峰值功率，而不是直接放大脈衝光。當更多的雷射被收集並壓縮在同一個位置的時候，雷射脈衝就被放大了。
由斯崔克蘭和莫羅發明的CPA技術在雷射物理學領域掀起了革命。它已經成為後來所有高強度雷射的標準技術，並且其在物理、化學、藥學等領域的應用在相應領域都開啟了一個全新的時代。目前，人們在實驗室裡就可以製造出最短、最強的雷射脈衝。
這些超短超強的雷射脈衝是如何應用的呢？其中一個早期的應用領域就是在不斷變化的微觀世界中，給分子和原子間的相互作用事件「快速照相」。這些事件的發生非常迅速，以至於很長一段時間裡，我們只能看到事件發生之前和之後的狀態。但是，如果這些脈衝能夠縮短至飛秒數量級，即十億分之一秒，我們就有可能看到在以前看來似乎是瞬間發生的事件。
高強度的雷射也可以成為改變物質特性的工具，比如絕緣體可以變為為導體，鋒利的雷射束也可以非常精確地對各種材料甚至活的生物物質進行切割或鑽孔。
雷射可用於創建更有效的數據存儲，這是因為數據不僅可以存儲在材料的表面上，而且可以存儲在深入介質的小孔中。這種技術還可用於製造手術支架，這種支架是只有微米尺度的細長的金屬圓柱體，它可以對血管、尿道等體內的其它通道進行擴張和加固。
還有無數潛在的應用領域尚未被完全探索，技術手段的每一次進步都為科學家們打開了新世界的大門，對基礎研究和應用研究產生著廣泛而深遠的影響。
阿秒物理是最近興起的研究領域之一。100阿秒（1阿秒是10-18秒）之內的雷射脈衝可以展現電子奇妙世界。電子是化學的本質，它們不僅承擔著化學鍵的作用，還決定了所有物質的光學和電學特性。如今，利用阿秒物理技術，我們不僅可以觀測電子，還可以控制電子。
圖4 飛秒雷射器產生的短脈衝（右）相對於比其百萬倍長的脈衝（左）在材料上產生的損害更少。超短超強雷射脈衝可應用於眼部手術、數據存儲以及體內通道的手術醫療支架製造。
圖5 雷射的脈衝速度越快，能觀測到的過程也就越快。超短雷射脈衝只有幾飛秒，甚至可以達到阿秒量級，這就使得曾經只能猜測而無法觀測的物理或化學過程被拍攝到；電子圍繞原子核的運動也可以通過阿秒相機被觀測到。
這些新雷射技術的大量應用即將到來：更快的電子產品，更高效的太陽能電池，更好的催化劑，更強大的加速器，新能源，還有藥物設計等等。毫無疑問，雷射物理學領域的競爭將會更加激烈。
多娜·斯崔克蘭現在正在加拿大繼續從事她的科研工作，而已經回到法國的傑哈·莫羅則在參與泛歐雷射計劃和其它課題。他發起並領導了極限光基礎設施（ELI）的早期開發，該設施將幾年內在三個地點——捷克、匈牙利和羅馬尼亞完工。ELI設計的峰值功率將達到1016瓦，這足夠同時點亮100萬億個白熾燈泡。
三個地點的設施將著眼於不同的研究領域：匈牙利重點關注阿秒雷射的研究，羅馬尼亞將致力於核物理，而捷克則把目光鎖定在高能粒子束上。
此外，中國、日本、美國和俄羅斯正在規劃建設新的更強的雷射設施。
關於下一步的發展，已經有人進行了預測：雷射功率將在增加一個數量級，達到1017瓦。但雷射技術的發展絕不止於此——為什麼功率不能更高一點達到1021瓦？為什麼光脈衝時間不能達到仄秒（10-21秒）量級？
對於雷射物理學領域來說，新的疆域正在不斷地被開拓，從真空中的量子物理研究，到高能質子束消滅癌細胞，一幅嶄新的畫卷正在科研人員眼前徐徐展開。
然而即便是現在這些新的雷射技術發明，也足以催人奮進，激勵著科學家們不斷在微觀領域有新的更大突破。畢竟，「為人類帶來最大的利益」是諾貝爾獎百年來不變的初衷。
圖6 最強雷射脈衝的發展歷程。其中，今年獲獎的CPA技術極大地提升了雷射脈衝功率的數量級，是該領域的奠基性技術。