光鑷之父去世 曾獲2018年諾貝爾物理學獎

FUTURE | 遠見 暮成雪 選編

近日，美國科學家，2018年諾貝爾物理學獎獲得者Arthur Ashkin近日逝世，享年98歲。Ashkin 被稱作是雷射輻射壓力之父，獲得了許多該領域的「第一」。

Arthur Ashkin1947年在哥倫比亞大學獲得物理學學士學位，1952年在康奈爾大學獲得核物理博士學位。20世紀60年代後期，他開始用雷射操縱微粒，1986年發明了「光鑷」。

Ashkin被稱作是雷射輻射壓力之父，獲得了許多該領域的「第一」：他第一個觀察到原子上的光學梯度力、第一個對原子進行雷射冷卻、第一個觀察原子光學俘獲。基於這些研究，Ashkin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。Ashkin利用「光鑷」探索細胞內部，操縱其內部結構，並為理解人體正常和患病狀態的新方法奠定基礎。

2018年，瑞典皇家科學院因其「光鑷及其在生物系統中的應用」 將諾貝爾物理學獎一半授予Arthur Ashkin，另一半授予Gérard Mourou和Donna Strickland。據悉，Arthur Ashkin還打破了諾貝爾獎獲得者最高年齡的紀錄。

光鑷，可理解成「用光做成的鑷子」，普通的鑷子，是有形的夾取物體的器具，靠與物體之間的摩擦力來夾住物體；光鑷是一隻無形的鑷子，它操縱微粒不是靠機械力或者物體之間的摩擦力，而是靠光輻射梯度力和光輻射散射力形成的光輻射力阱，將落入阱內的原子、微粒囚禁。

光輻射與在其中的原子、物質微粒之間發生能量和動量交換，使得光輻射對物質產生壓力。產生的力可分為兩類：一類是光輻射被原子、微粒散射、反射和吸收而產生作用力，它稱為散射力；另一類是光輻射強度的空間分布不均勻而給原子、微粒產生的作用力，它稱為梯度力。

任意光束都可以看成大量光子的集合，光子具有動量，當光子與原子和微粒發生相互作用時，它們將受到光散力的作用。原子受到光輻射的散射力相比之下非常大，比它的重力高出4000倍，在光強度高的光束作用下，如在高功率雷射作用下，多個光子被吸收對原子可以產生更強的作用力，比如當3個光子吸收時，原子受到的散射力大約為單個光子吸收過程的3倍，即，是其自身重力的一萬多倍；粒子受到的光輻射散射力的大小，分析起來比較複雜：當微粒的尺寸遠小於光的波長時，散射力的大小與雷射功率和微粒直徑的6次方成正比，當微粒尺寸遠大於光的波長時，散射力的大小大約是其重力的萬萬倍。

原子、分子受到的光輻射梯度力，是由於原子和分子被看成一個等效的偶極子——即，一個正電荷和一個負電荷組成的系統，當原子和分子受到光電場強度分布不均勻時，電偶極矩的正、負電荷受到的作用力大小和方向都不同，此時，偶極矩將發生平移或者轉動，原子和分子受到的光輻射梯度力，其方向跟輻射光的頻率和偶極子的共振頻率的大小對比有關，可以將其吸引到強光區，也可以把原子推向弱光區；微粒受到的光輻射梯度力，分情況分析：當微粒的尺寸遠小於光波波長時，其梯度力可以束縛微粒，也可以驅散微粒；當微粒尺寸大於光波波長，則可以用幾何光學與光子動量轉移來處理和分析微粒受到的光束作用力。

光散射力和光梯度力可以構成力阱，將落入阱內的原子、微粒囚禁。如果用平行光束相向照射原子，便可構成一個約束力阱，限制原子的自由運動，如果採用6束光束，從上下、左右相向交叉傳播，將使得原子朝任何方向運動都受到阻尼，仿佛是將它們黏膠在光束交叉的地方；匯聚光束梯度力阱：粒子在光強非均勻分布的光束中將受到梯度力作用，驅趕它往光強的方向移動，粒子也受到散射力，驅趕它往光束傳播的方向移動。可以設想構造光強分布適當的光束，讓粒子所受到的梯度力方向話語受到的散射力方向相反，而作用力的大小又幾乎一樣，在這樣的布局光束中的某個位置上，粒子受到的作用力將達到平衡，並被「俘獲」在這個位置上，或者說這樣的光束構造了一個勢阱，能夠囚禁粒子。——這就是光鑷的原理。

強聚焦的雷射束在光束傳播方向上和與之垂直的平面上同時形成梯度力光阱，即形成三維梯度力光阱，它可以捕獲原子、微粒，並把它們囚禁在光阱中心。利用光阱可以操縱原子、微粒，而且這種操作是在基本不影響周圍環境的情況下實施的。同時，光束對原子以及微粒不構成機械損傷，所以這種操作又是無損傷的。這是一種十分珍貴的特徵。

利用光束力阱不僅可以捕獲微粒，而且還可以方便的在三維空間拖動微粒，使之在空間上準確定位和移動，於是便開發出一種新的微型操控技術，稱為「光鑷技術」。

光鑷技術作為一種微位移特有操控手段和粒子間微小相互作用的探針，在研究活體的實時動態，具有無機械接觸、我機械損傷、遙控、不幹擾粒子周圍環境等突出特點，在生物學和醫學領域，利用這一特徵可以進行分選粒子或細胞，可以深入研究活體細胞和生物大分子個體行為，捕獲單個細胞甚至在細胞內操縱細胞器，完成注入細胞融合、染色體切割與分選、細胞轉基因操縱、細微手術等精細操作。

光鑷技術是探索生命運動規律的重要手段，特別是在動植物基因工程、農產品改良育種等領域有重要意義，還可以用來探測生物細胞以及分子馬達的動力學特性、DNA摺疊、細胞膜彈性參數的測量以及分散體系的研究。在原子物理學的研究中，光鑷技術可以用來捕獲、冷卻原子，製造原子鐘。在納米生物科技領域，它是生物分子器件組裝的理想工具；在工業領域，它可以用於對微小零部件和物體進行加工、調整、裝配等微操作，如微齒輪的抓取和釋放等。

光鑷技術的發展，使得光鑷家族不斷壯大，現在已經由最先的單光束光鑷發展的到多光束光鑷、特殊光束光鑷、致微粒旋轉光鑷、致樣品分選光鑷、飛秒雷射光鑷等。還有一些特殊用途的光鑷，如全息光鑷、分時掃描光鑷（又可細分為聲光偏轉陣列光鑷、衍射光學元件光鑷、空間光調製器陣列光鑷）、多光束幹涉光鑷、光纖光鑷（又可細分為雙光纖多光纖光鑷、單光纖光鑷，而單光纖光鑷又可細分為端面拋物線形光纖光鑷、端面大錐角形光纖光鑷）。

--OFweek雷射

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