楊先碧

說(shuō)到激光，想必很多同學(xué)應(yīng)該不會(huì)太陌生。近視激光手術(shù)、激光美容等，大大方便了人們的生活。它還被稱為“最快的刀”“最準(zhǔn)的尺”“最亮的光”。自從1960年激光被發(fā)明后，科學(xué)家就在不斷提升其性能，開發(fā)其新功能，取得了一個(gè)又一個(gè)令人矚目的成果。美國(guó)科學(xué)家阿瑟.阿什金、法國(guó)科學(xué)家熱拉爾.穆魯以及加拿大科學(xué)家唐娜.斯特里克蘭就是激光研究領(lǐng)域的佼佼者，他們因善于駕馭激光而獲得了2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

把激光打造成鑷子

抓取單個(gè)細(xì)胞、細(xì)菌、分子等尺寸很小的東西，是十分困難的，難得超出我們的想象。這些小東西小到必須依賴電子顯微鏡才能看到，更令人煩惱的是，這些小東西并不是乖乖地待在那里等你去抓取，而是不停地在一個(gè)小范圍內(nèi)四處亂竄。所以，科學(xué)家很難抓住它們，也就難以對(duì)它們做較為深入的研究。

1987年，阿什金發(fā)現(xiàn)了一種發(fā)法，可以讓那些并不安分守已的小家伙束手就擒。這種方法就是把激光做成鑷子，科學(xué)家稱之為光鑷。需要說(shuō)明的是，光鑷只是一個(gè)抓取工具，它本身沒有顯微作用。也就是說(shuō)，光鑷實(shí)際上是安裝在微鏡上的一個(gè)輔助研究工具。

雖然名為光鑷，但是和我們平常使用的鑷子相比，無(wú)論是外表還是使用原理，都大不相同。實(shí)際上，光鑷并非用兩道光來(lái)夾小東西，而是用一道強(qiáng)度適宜的激光束形成一個(gè)“陷阱”。如果以激光束形成光場(chǎng)的中心劃定一個(gè)幾微米方圓的區(qū)域，你將會(huì)觀察到一旦小物體進(jìn)入這個(gè)區(qū)域，就會(huì)自動(dòng)迅速地墜落到光場(chǎng)的中心，就像獵物墜入陷阱一樣。因此，科學(xué)家又把其中把持物體的區(qū)域也稱為光阱，相應(yīng)的技術(shù)稱作光學(xué)捕捉。光鑷細(xì)胞、分子等關(guān)在這個(gè)陷阱里， 讓它們不能亂動(dòng)。此時(shí)，我們就可以對(duì)這些小東西進(jìn)行更進(jìn)—步的研究了。

發(fā)明光鑷之后，阿什金用它捕捉到了一個(gè)活的細(xì)菌，而且沒有對(duì)這個(gè)細(xì)菌造成任何傷害。之后，他就可以固定這個(gè)細(xì)菌進(jìn)行細(xì)菌內(nèi)的研究，也可以移動(dòng)細(xì)菌到指定位置，以便研究細(xì)菌和生活環(huán)境的關(guān)系。在沒有光鑷之前，科學(xué)家很難固定細(xì)胞、細(xì)菌、病毒等微小的“活物”，通常得“弄死”（滅殺）它們后再進(jìn)行研究。有了光鑷，科學(xué)家可以操縱和移動(dòng)分子、病毒和其他活細(xì)胞，還有顯微世界中的其他小東西。

有了光鑷，就能夠抓取分子，讓它們?nèi)ツ膬壕腿ツ膬海?duì)它們展開操作。如今，在許多生物或醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，光鑷已經(jīng)是標(biāo)配的儀器設(shè)備。除了生物學(xué)，光鑷在物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。

讓激光變快、變強(qiáng)

現(xiàn)在，醫(yī)院用激光做手術(shù)已不罕見。比如，一些近視患者會(huì)去醫(yī)院做激光手術(shù)，對(duì)角膜進(jìn)行修正。然而，激光手術(shù)用的激光并非由激光器發(fā)出來(lái)的普通激光，而是經(jīng)過(guò)處理后的激光。直接用普通激光做手術(shù)，失敗率會(huì)非常高，而且患者感受的痛苦會(huì)很大。因?yàn)槠胀す夤β氏鄬?duì)較小、脈沖波長(zhǎng)相對(duì)較大，對(duì)角膜的切割精度較低、切割范圍過(guò)大，甚至可能誤傷角膜周圍的眼組織。啁啾脈沖放大技術(shù)出現(xiàn)之后，使得激光眼科手術(shù)成為可能。

1985年，穆魯和斯特里克蘭發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以讓激光的脈沖波長(zhǎng)縮短，從而讓激光的功率增強(qiáng)。他們把這種方法命名為啁啾脈沖放大。在初期的通信研究中，當(dāng)脈沖信號(hào)變到音頻時(shí)，會(huì)發(fā)出一種聲吉，聽起來(lái)像鳥叫的啁啾聲，故名“啁啾”。穆魯?shù)热税l(fā)明的啁啾脈沖放大技術(shù)，就是讓激光的脈沖發(fā)生快速的變化。

激光科學(xué)家也和運(yùn)動(dòng)員一樣，追求“更快、更強(qiáng)”。激光自1960年問(wèn)世后，短短5年，激光器功率大增。但從那之后的20年里，激光器的功率徘徊不前，因?yàn)檫^(guò)大的功率會(huì)將作為激光器核心部件的放大元件燒毀，導(dǎo)致整臺(tái)儀器報(bào)廢。眾多的科學(xué)家一味地想提升功率，很少有人會(huì)逆向思維要是先縮小激光功率，會(huì)怎樣呢？

與眾不同的是，穆魯和斯特里克蘭采用了一種欲擒故縱的方法。他們本意是要放大激光的功率，以獲得更強(qiáng)的激光。但是，這個(gè)大家都知道的思路并沒有帶來(lái)理想中的效果。當(dāng)時(shí)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)小組中的一名研究助理威廉姆斯提供了一個(gè)新的思路：是否可以先縮小再放大呢？后來(lái)的研究證明，這個(gè)思路是正確的。當(dāng)時(shí)，正在攻讀博士學(xué)位的斯特里克蘭在導(dǎo)師穆魯?shù)闹笇?dǎo)下，順利地完成了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，而威廉姆斯因?yàn)闆]有參與實(shí)驗(yàn)而與諾貝爾獎(jiǎng)無(wú)緣。 林德羅特院士評(píng)價(jià)說(shuō)：“這項(xiàng)研究涉及如何讓激光變得更強(qiáng)。有了強(qiáng)大的激光，我們可以做很多實(shí)際的事情。比如，精準(zhǔn)、低成本地為粒子加速;強(qiáng)激光帶來(lái)的短脈沖，又可幫助我們以簡(jiǎn)單且盡可能不損傷眼球的方式來(lái)矯正視力。”超強(qiáng)激光在核物理、粒子物理等物理學(xué)分支中得到廣泛應(yīng)用，利用這項(xiàng)技術(shù)，物理學(xué)家制造出超高速相機(jī)，利用飛砂量級(jí)的脈沖對(duì)原子和分子進(jìn)行拍照，得以更好地洞察微觀世界中的秘密。

知識(shí)鏈接

光鑷對(duì)操作對(duì)象的要求很寬泛，雖然它只能在微觀世界里工作，但體形在幾十納米到幾十微米的微粒基本都是它的操縱對(duì)象。靠著這個(gè)優(yōu)勢(shì)，在微觀世界里，光鑷可以做很多工作。

改變微粒狀態(tài)。比如，讓不同的細(xì)胞聚在—起或者在細(xì)胞中注入其他微粒。

“監(jiān)測(cè)”微粒行動(dòng)。比如，測(cè)量一種蛋白質(zhì)在微管上移動(dòng)的距離，進(jìn)而算出它運(yùn)動(dòng)過(guò)程中消耗的能量。

做微觀世界的“建造師”。比如把一些納米級(jí)生物器件組裝在一起。