通往更加極端的光學之路：“用光製造的工具”獲諾獎
亞瑟·阿什金（Arthur Ashkin）發明了光學鑷子，能通過鐳射束“手指”抓取顆粒、原子和分子。光學鑷子還能用於操縱病毒、細菌和其他活體細胞，並且在觀察和操縱過程中不造成損傷。阿什金的光學鑷子為觀察和控制生命的機械過程創造了全新的契機。
傑哈·莫羅（Gérard Mourou）和 多娜·斯崔克蘭（Donna Strickland）為人類研製有史以來波長最短、能量最高的鐳射鋪平了道路。他們所開創的技術開啟了該領域科學研究的嶄新紀元，並在工業與醫藥領域得到廣泛應用。例如，每年都有數以百萬計的眼科手術正是藉助最鋒利的鐳射束完成的。
阿什金 ofollow,noindex">開發 了一種光學陷阱，後來該技術被稱為光學鑷子 1 微小的透明圓球被鐳射照射後開始移動。它們的速度與阿什金的理論估算相符，表明確實是輻射壓在推動著它們。 2 一個令人意想不到的效應是，輻射壓力具有梯度，會促使圓球向光束中央位置移動，那裡有著最高的光強度。這是因為光強度會向外側逐漸減小，而推動小球的所有力的總和將其推向光束中心。 3 阿什金將鐳射束的方向朝上，使圓球浮起。此時輻射壓抵消了重力。 4 鐳射束經由透鏡實現聚焦。此時光線就可以用於捕獲粒子，甚至操縱活著的細菌和細胞，成為一把光學鑷子。
光學鑷子繪製出了驅動蛋白沿著細胞骨架移動的過程 1 驅動蛋白分子連線到光學鑷子操縱的一個小圓球上。 2 驅動蛋白沿著細胞骨架移動。它拉動了圓球，因此可以通過圓球測量其“行走”運動。 3 最終，驅動蛋白無法承受光學陷阱的力，圓球回到了光束中心。
在光束中移動
亞瑟·阿什金有一個夢想：將光束作為工作時的工具，並用它推動物體移動。在20世紀60年代中期推出的系列美劇《星際迷航》中，有一種光束可以在不觸及物體——包括太空中的小行星——的情況下對其進行牽引。當然，這聽起來就像純粹的科幻概念。我們能感覺到陽光攜帶著能量，晒太陽會讓我們感受到熱，但來自陽光光束的壓力太小，我們沒有任何擠壓感。但是，這種壓力是否足以推動極其微小的顆粒和原子呢？
在1960年第一臺鐳射器發明之後，阿什金立即開始在紐約郊外的貝爾實驗室中試驗這臺新裝置。在鐳射中，光波會連續移動，而不是像平常的白光那樣混雜了各種各樣的顏色，並向各個方向傳播。
阿什金意識到，鐳射可以作為一種完美的工具，利用光束來移動微小粒子是可能的。他用鐳射照射微米級的透明小球，並很快就讓這些小球動了起來。與此同時，阿什金驚訝地發現，這些小球被拉到了光束最為密集的中間位置。對此的解釋是，無論一束鐳射有多麼銳利，它的強度也會從中間向兩側減小。因此，鐳射施加於粒子上的輻射壓也有差別，會迫使它們朝著光束中心的位置移動並穩定下來。
為了保持粒子位於光束的方向上，阿什金增加了一個聚焦鐳射的強透鏡。這些粒子因此被拉向光強度最高的位置。一個光學陷阱誕生了；後來，這種裝置被稱為光學鑷子。
光線捕獲的活細菌
經過多年的努力和多次挫折之後，科學家終於能用這個光學陷阱捕獲單個原子。這一過程存在許多困難：一個是光學鑷子需要更強的力以抓取原子，另一個問題是原子的熱振動。有必要找到一種方法，使原子的運動減慢下來，並將它們放入一個比本句最後的句點還要小得多的區域內。一切問題都在1986年得到解決，光學鑷子與其他方法相結合，成功靜止並捕獲了原子。
在減慢原子速度本身成為一個新研究領域的同時，亞瑟·阿什金髮現了光學鑷子的一個全新用途——研究生物系統。一個契機的出現使他進入了這一領域。在嘗試捕獲更小粒子的過程中，阿什金使用了小型花葉病毒的樣品。在剛好將樣品暴露著放了一夜之後，裡面已經充滿了到處移動的大顆粒。在顯微鏡下，阿什金髮現這些粒子其實是到處遊動的細菌，而當它們靠近鐳射束時，會被困在光學陷阱當中。不過，阿什金的綠色鐳射束殺死了細菌，因此要讓它們活下來，還需要強度較小的光束。在不可見的紅外光下，細菌沒有受到損傷，並且能夠在光學陷阱中繁殖。
由此，阿什金接下來的研究主要關注眾多不同的細菌、病毒和活細胞。他甚至展示了在不破壞細胞膜的情況下，進入細胞內部的可能性。阿什金為光學鑷子的新用途開闢了一整個世界。一個重要的突破是對分子馬達——在細胞內部進行關鍵工作的大分子——機械效能的研究。利用光學鑷子進行詳細繪圖的分子馬達是一種驅動蛋白，它在微管構成的軌道上“行走”，而微管是細胞骨架的一部分。
從科幻小說到實際應用
在過去幾年間，許多研究者在阿什金髮明的基礎上進行了拓展。目前，光學鑷子推動了無數實踐應用的開發，使在不觸碰研究物件的情況下，利用光學鑷子對其進行觀察、翻轉、剪下、推動和牽引成為可能。在許多實驗室中，鐳射鑷子成為了研究生物過程——諸如單個蛋白質、分子馬達、DNA和細胞內部活動等——的標準裝置。光學全息攝影是最新的開發成果之一，通過該技術，數千個光學鑷子可以同時發揮作用，其用途包括將健康細胞與感染細胞分離，這在對抗瘧疾等疾病的過程中具有廣闊的應用潛力。
超短高強度光束的新技術
該技術的靈感來自一篇描述雷達及其無線電波（長波）的學術文章。然而，將這一概念轉化為波長更短的光波十分困難，無論在理論上還是實踐上。1985年12月，一篇突破性的論文發表，而這正是多娜·斯崔克蘭的第一篇學術文章。她從加拿大搬到了美國的羅切斯特大學，在那裡對鐳射物理學產生了興趣，因為綠色和紅色的光束將實驗室裝點成了一棵聖誕樹，至少在她的導師傑哈·莫羅看來是這樣的。現在，科學家已經實現了論文中提到的一項技術——將短鐳射脈衝的強度提高到前所未有的程度。
鐳射的產生是通過光子的連鎖反應，不斷形成更多的光子。這些光子可以通過脈衝釋放。在大約60年前鐳射發明之後，研究人員一直努力嘗試製造出更高強度的脈衝。然而，到20世紀80年代中期，人們似乎到達了道路的終點。對於短脈衝而言，在不破壞放大材料的情況下，似乎已經不可能再增加鐳射的強度了。
CPA技術對於鐳射技術具有創新意義，它使用一種非常複雜的方法，使非常強而短的脈衝釋放成為可能，從而避免了破壞放大材料的風險。它不是直接放大光脈衝，首先及時拉伸，降低其峰值功率。之後脈衝被放大，當它被壓縮時，更多的光線就收集在同一個位置——光脈衝變得非常強烈。
斯崔克蘭和莫羅的新技術被稱為“啁啾脈衝放大”（chirped pulse amplification， CPA），是一種既簡單又精巧的技術。他們將短鐳射脈衝的時間延長，放大它又壓縮它。當鐳射脈衝的時間延長時，它的峰值功率大大降低，因此可以在不破壞放大器的情況下顯著放大。接著，鐳射脈衝的時間壓縮，意味著更多的光集中在很小的空間內，從而使脈衝強度極大增強。
斯崔克蘭和莫羅花了好幾年時間將這一切成功地結合在一起。與往常一樣，豐富的實踐和概念細節帶來了許多困難。例如，鐳射脈衝的延長需要用到一條新研製的2.5千米長光纖。但是，沒有光線出來——光纖在某處破裂了。經過大量的努力，他們發現1.4千米的長度已經足夠。一個重大的挑戰是同步裝置中的各個階段，使光束的延長和壓縮相對應。這個問題在1985年也得到解決，斯崔克蘭和莫羅首次證明了他們的精巧設計在實踐中也能奏效。
斯崔克蘭和莫羅發明的CPA技術變革了鐳射物理學，成為後來所有高強度鐳射器的標準，並且為在物理學、化學和醫學中的應用開闢了全新的領域。現在，科學家在實驗室中已經能製造出最短最強的鐳射脈衝。
來自飛秒鐳射儀的短脈衝（圖右）比從納秒鐳射儀釋放的數百萬倍長的長脈衝（圖左），對材料造成的危害更小，超短和超密度鐳射脈衝可用於眼部手術、資料儲存和製造人體血管的醫用支架。
全世界最快的攝像機
超短高強度脈衝具體有哪些用途呢？該技術早期曾用於微觀攝影，在拍攝分子與原子時迅速照亮拍攝背景。這些過程速度極快，因此在很長一段時間裡，科學家只能描述反應前和反應後的情況，無法描述反應過程。但有了飛秒級的鐳射脈衝（即1秒的1000萬億分之一），我們便可以觀察到這些轉瞬即逝的過程了。
鐳射強度極高，足以改變物體性質，如可以將電子絕緣體轉變為導體。超精準鐳射束還能在各類材料上以極高的精度進行切割或鑽孔，尤其是在生物活質上。
例如，鐳射可以用於打造更高效的資料儲存，因為儲存空間可以不僅限於材料表面，還可以深入儲存介質內部、以微孔的形式存在。該技術還可用來製造外科手術支架（即能夠擴張、加強血管的微米級金屬圓柱體）、尿管和其它體內“通道”。
該技術的應用領域不計其數，但目前尚未得到完全發掘。每一項進展都能幫助研究人員開啟新世界的大門，基礎研究和實際應用都隨之不斷改變。
“阿秒”物理是近年來新誕生的研究領域之一。短於100阿秒（1阿秒=10^-18秒）的鐳射脈衝能夠讓我們看到神奇的電子世界。電子相當於化學反應中的“老黃牛”，所有物質中的光學及電子性質、以及化學鍵都與電子有關。如今有了阿秒鐳射技術，科學家不僅能觀察電子，還能操控電子。
光脈衝速度越快，可被觀測到的運動就越快。幾乎不可思議的短鐳射脈衝都接近於幾飛秒，甚至比阿秒（attoseconds）等級快幾千倍。這樣的事件僅能進行猜測，被拍攝變化過程；原子核周圍的電子移動現在可使用阿秒照相機進行觀測。
通往更加極端的光學之路
對於這些全新的鐳射技術的許多應用已經呼之欲出——更快的電子裝置，更高效的太陽能電池，更好的催化劑，更強大的加速器，新的能源，或者醫藥。因此毫不奇怪的，在鐳射物理領域存在著激烈的競爭。
多娜·斯崔克蘭現在繼續在加拿大開展自己的研究，而傑哈·莫羅已經回到法國，正參與一個覆蓋全歐洲的鐳射技術發展計劃。他發起並領導了歐洲“極端光基礎裝置”（ELI）計劃。該計劃所涉及的三處分別位於捷克共和國，匈牙利和羅馬尼亞境內的設施預計將在數年內完工。該計劃產生的鐳射峰值強度將達到10拍瓦，這相當於100億個電燈泡同時點亮的能級。
高強度鐳射脈衝的發展。CPA技術是高強度脈衝技術爆炸性發展的基礎。
這三處設施將聚焦於不同的研究領域，匈牙利設施將聚焦阿秒研究，羅馬尼亞設施聚焦核物理學研究，而捷克共和國境內的設施將聚焦於高能粒子束研究。而在世界範圍內，還有更多，甚至比這更加強大的裝置也正在研製中，其中包括中國、日本、美國和俄羅斯的相關研究機構。
已經有學者開始設想下一步的發展：在強度上再升級10倍，達到100拍瓦級別。對於未來鐳射技術的展望不會止步於此。難道能量達到澤瓦（100萬拍瓦，10的21次方瓦）級別，脈衝時長短於千分之一阿秒（約合10的負21次方秒）的鐳射束就不能研製出來嗎？
新的地平線正在遠方隱隱顯現，從針對真空量子效應的研究，到用於治療癌症的放射療法。但是即便是現在，這些技術的結合已經可以讓我們在微觀世界裡到處探尋，並時刻銘記諾貝爾獎建立者諾貝爾先生的遺志：為了全人類的福祉。