【2018年诺贝尔物理奖特别报导】雷射科学
编辑时间:2020-06-12 作者:

诺贝尔奖委员会于10月2日公布了2018年的诺贝尔物理学奖的得主,分别是美国贝尔实验室的Arthur Ashkin,法国巴黎综合理工学院(École Polytechnique)的Gérard Mourou与加拿大滑铁卢大学的Donna Strickland,以表彰他们在雷射科学上的突破性贡献。

2018年诺贝尔物理学奖一共分为两部份。第一部份颁给了由Arthur Ashkin所发明的光学镊子(又称光钳)与光学镊子与在生物系统上的应用。第二部份由Mourou与Strickland分享,以表彰他们所发明的产生高强度超短光学脉冲的方法。

隔空遥控物体是魔术师常见的表演手法,也是科幻小说里的常见题材。Ashkin在1987年的时候,发明了光学镊子把这个想法化成了现实。他发现可以用雷射照在微小的物体上,例如微生物或细胞,透过控制雷射所产生的光压来移动微小的物体而不会破坏被控制的物体。这个方法就像用镊子捏住物体一样,所以被称为光学镊子。

Ashkin一开始是将射照射在微米级(千分之一公釐)左右的塑胶小球上,发现他可以用雷射来移动小球。他又发现这些小球会被吸引到聚焦后的雷射的中心处。这其实就是光学镊子的基本原理,用聚焦后的雷射照射在要控制的小球体上。雷射中的光子会使小球体受到光压。此外,由于雷射的特性是中心部份的强度最高,然后往两侧逐渐降低,因此当雷射照射在小球体时,小球体的每个部份会因为各部位所被照射到的雷射强度的不同而受到不同大小的光压。但是合起来的总效果会把小球体推向雷射中心强度最高的部份,并把小球体限制在该区域而使物体无法离开这个区域。因此可以藉由这个方法来控制并移动物体。

Ashkin发明了光学镊子之后,很快的就把这个技术应用在生物系统上。过去对科学家来说,对细胞或更小的物体只能透过显微镜来观察它们的行为。但是透过光学镊子,科学家可以在不伤害生物体的情形下,研究它们的各种特性,例如研究DNA的力学性质等。而光学镊子也可以应用在控制各种微机电结构上,成为许多科学研究中不可或缺的工具。

诺贝尔奖的另外两位得主Mourou与Strickland所发明的产生高强度超短光学脉冲的方法,突破了技术上的限制,得以让科学家产生超高强度的雷射脉冲。

当雷射在1960年代发明之后,科学家便开始想办法来提昇雷射的强度。但是到了1980年代左右,科学家发现如果用放大器来提高雷射强度,随着雷射强度的增加,便需要有更强的放大器,但是这时放大器可能会因为雷射的强度而烧毁。因此受限于放大器,雷射强度迟早会遇到瓶颈。

而Mourou与他当时的研究生Strickland两人提出了一个叫做「唧频脉冲放大术」(chirped pulse amplification,  CPA)的方法,巧妙的解决了这个问题。这个方法的概念简单的说就是先把一个雷射脉冲拉长,以分散单位时间中的强度,然后把拉长后的脉冲放大,接着把这个放大后的拉长脉冲压缩回原来的时间长度,这样就可以有效的把原本的雷射脉冲的强度放大至少上千倍到百万倍。

这个方法最特别的地方在于相当于把一个雷射脉冲分成很多小部份后再放大,所以不会让放大器造成过大的负担,直接跳过放大器性能的极限,而达到加强雷射脉冲的效果。这个新的方法可以让物理学家继续使用传统的雷射放大器,但是可以得到更强力的雷射脉冲,例如高达十兆瓦的雷射。

透过这个新方法,科学家可以产生相当高强度的雷射脉冲,并可以透过这种高强度的雷射脉冲来研究许多物理现象。举例来说,透过这个方法可以产生史上最强的电场,约是一公分一兆伏特。在这种极端情形下的物理现象,通常在自然界中只存在于黑洞或恆星的内部。透过高强度雷射所产生的电场,物理学家也得以研究这种极端情形下的新物理。

Ashkin,Mourou与Strickland的突破性技术以经成为许多科学研究者不可或缺的基本工具。三位科学家的得奖可说是实至名归。


参考资料:

2018 Nobel Prize Press Release
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2018/press-release/popular information
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2018/popular-information/Scientific Background
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2018/advanced-information/
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