10月2日，瑞典皇家科學院宣布2018年物理學諾貝爾獎頒給發明光鑷技術的美國科學家亞瑟·阿斯金（Arthur Ashkin）以及發明啁啾脈衝放大技術的法國科學家傑哈·莫羅（Gerard Mourou）和加拿大女科學家唐娜·斯特裡克蘭（Donna Strickland），以表彰他們 「在雷射物理領域的突破性發明」。
雷射的發明和發展使得人們可以在實驗室創造出超強電、磁場、超高能量密度、超快光場等極端條件，為人類在極端條件下探索常規條件下無法實現的新物態、新物質，發現極端條件下新現象和新物理規律提供了前所未有的工具，從而拓展人們對自然的認識，提高改造自然、造福人類的能力。在過去的半個世紀中，雷射相關的科技成果多次獲得諾貝爾獎。
作為此次獲獎中的關鍵技術之一，光鑷子技術利用聚焦光束產生的力 (力的大小一般為皮牛量級)來操控微小物體，類似一個鑷子，因此在顆粒物質、微納米科學以及生物、醫藥等研究領域獲得了廣泛的應用。其原理可以簡單如圖一所示：光不僅有能量，也具有一定動量。當光與物質相互（圖一中小球）作用時，會發生散射或折射，從而導致光的傳播方向發生改變，即光子的動量發生改變。而整個系統動量守恆，物質（即圖一中的小球）的動量也會發生相應，等效於力作用於物質。對於太陽光等，光的方向性、能量密度比較低，與物質相互作用的效果非常小。但雷射具有高亮度、方向性好等優點，可以用來操控微小物質。自1960年雷射產生以來，Ashkin就開始考慮如何利用雷射操縱微粒。1970年左右， Ashkin 在水中實現了聚焦氬離子雷射推動塑膠微粒；1986年，他又發現將單束雷射高度聚焦後產生的力可以將微粒穩定的捕獲住，他將這種技術命名為光鑷（optical tweezer）。隨後，光鑷技術被廣泛應用於生物等領域。值得一提的是，1985年，朱棣文、Ashkin等合作者共同發表了雷射冷卻原子的文章，為其之後發展「用雷射冷卻和俘獲原子的方法」奠定了基礎。1997年，朱棣文因為雷射冷卻獲得諾貝爾物理學獎；而獲得2001年諾貝爾物理學獎的工作「鹼金屬原子稀薄氣體的玻色－愛因斯坦凝聚」，同樣起源於光鑷技術。
了解完光鑷子技術之後，我們再來了解一下另一項重要技術——「啁啾脈衝放大技術」。自1960年產生第一束雷射以來，雷射的能量和功率不斷提高，將其聚焦後可以產生超強電磁場，至上個世紀70年代，聚焦光強已經達到1015W/cm2量級（對應的電場強度接近1010V/m）。如此強的雷射將會損壞系統內的光學元器件，因此雷射的功率在70年代達到了瓶頸。1985年，Mourou和Strickland提出的啁啾脈衝放大技術（CPA）則很好地解決了這一難題。這一技術原理上非常簡單：雷射功率表示為單位時間內的能量。為了提高功率，先把雷射脈衝從時間上展寬（如圖2所示，通常採用一對光柵調製不同頻率成分的相位，即啁啾），從而減小脈衝功率；然後將其放大，最後利用壓縮器將其脈寬壓縮，從而突破光學元件損壞這一瓶頸。
由於CPA技術的發展，雷射功率自80年代又不斷取得突破，峰值強度已經達到1020W/cm2以上。去年10月，我國的上海超強超短雷射實驗裝置成功實現了10拍瓦（1拍瓦=1015瓦）雷射放大輸出，這是目前已知的最高雷射脈衝峰值功率。由於超強超快雷射的發展，許多極端條件下新物理現象被發現，比如由於超高強度，電子、質子等可以被強雷射加速，其加速梯度比傳統加速器高4個量級；在強雷射作用下，原子分子表現出極端高階非線性效應，從而產生數百階高次諧波和阿秒雷射等等，從而開闢了相對論雷射物理、強場雷射物理、阿秒物理等嶄新的學科。超短雷射脈衝還被用於時間分辨的超快動力學探測，Ahmed Zewail採用飛秒雷射探測化學反應過程中的原子與分子的轉變狀態，促使人們從分子層面認識化學反應過程，也獲得了1999年諾貝爾化學獎。
值得一提的是，我校的雷射一直活躍在高功率雷射物理前沿，在國內享有盛譽。早在1986就獲批成立了雷射技術國家重點實驗室，2003年開始了超強超快雷射物理的研究。 Mourou教授曾於2011年訪問我校，並做了「極端光學物理：使命與挑戰」的學術報告。Zewail教授和朱棣文教授也曾於2004年、2016年訪問我校。
作者介紹：
蘭鵬飛，男，博士。2004年畢業於華中科技大學物理學院，獲學士學位；2009年於華中科大學武漢國家光電實驗室（籌）獲得博士學位。2009年4月起先後作為國際特別研究員和協力研究員在日本理化學研究所工作。2013年加入華中科技大學物理學院，現任超快光學實驗室主任，主持優秀青年基金、面上項目等。目前是美國光學學會會員，擔任物理學和光學重要國際期刊Phys. Rev. Lett., Phys. Rev. A Optics Express，Optics Letter，Journal of optical society of American B，Apply Physics B, Optical Communication 等審稿人；中國物理學會Chinese Physics B，《物理學報》等審稿人。
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