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2018諾貝爾物理獎——超強脈衝雷射和雷射牽引光束!

2018年諾貝爾物理學獎授予了研發雷射光技術的3位先驅——Gerard Mourou、Donna Strickland和Arthur Ashkin。前兩者發展高強度、超短脈衝雷射,後者發展光學微操控研究,這些得獎人創造了新的雷射光工具,劃世代的技術對世界產生了重大的影響。
 
 

科幻電視劇集《星艦迷航》中的牽引光束不再是科幻夢想,科學家早已著手研究使用「輻射壓力」來加速和捕捉粒子,並ㄈ展出許多「光鑷子」的應用。(圖 / Pixabay)
▲科幻電視劇集《星艦迷航》中的牽引光束不再是科幻夢想,科學家早已著手研究使用「輻射壓力」來加速和捕捉粒子,並ㄈ展出許多「光鑷子」的應用。(圖 / Pixabay)

 

2018年諾貝爾物理學獎授予了研發雷射光技術的3位先驅,其中Gerard Mourou和Donna Strickland是因發展高強度、超短脈衝雷射而獲獎,這技術現已應用於雷射眼科手術中。另一位得獎者Arthur Ashkin則是表彰其利用光來捕捉並操縱微小物體,在光學微操控(又稱光鑷子)方面開啟了開創性的研究,也改變世人對微觀世界的認識。這些劃時代的技術對世界產生了重大的影響。 

 

捕捉粒子的牽引光束

 

看過科幻電視劇集《星艦迷航》的朋友,一定見識過超級神奇的「牽引光束」——太空船射出一條光線,便可拉著另一艘太空船,或讓敵人動彈不得。想必這是許多科幻迷的夢想,科學家也不例外,早在1960年代,Arthur Ashkin在世界著名的貝爾電話實驗室工作時就已著手研究使用「輻射壓力(也稱光壓)」來加速和捕捉粒子。

 

但是該如何用光來移動物體呢?當我們的身體暴露在陽光下時會感受到溫熱,這是因為光把能量送到我們的身體,這個光也是地球上諸多生命的基礎。但是除了能量之外,光束還具有「動量」。可以把光線想像成一束從機關槍打出來的微小子彈,稱為「光子」,當這些光子擊中物體時便會推動物體,這個現象稱為輻射壓力。這意味著如果拿著一枝雷射筆向你發射一道雷射光,這個光還會以非常微小的力量推著你移動。

 

1970年,Arthur Ashkin發表了一篇跨時代的論文,題目是「運用輻射壓力加速與捕捉粒子」。在這篇論文中,他觀察到懸浮在水中的微米(μm)級塑膠微粒會被一道經透鏡聚焦過的雷射光吸引到聚焦點,然後又被輻射壓力推走。於是他想到或許可用兩道相向的雷射光把塑膠微粒捕捉在兩道雷射光中間。他並運用理論預測,如果把雷射光調整到適當頻率時,可以捕捉到更小的粒子,甚至到達分子或原子的尺度。

 

在接下來的15年裡,他努力地鑽研這個主題並改良研究的方法。1986年,Ashkin與貝爾實驗室的同事華裔科學家Steven Chu(中文名:朱棣文)共同發明了現在所謂的「光鑷子」裝置。當時Ashkin發現,如果使用顯微鏡把雷射聚焦在一個非常小的點上,輻射壓力並不會把物體推開,反而會把粒子吸引到這個點上。但當這個強烈聚焦的雷射光點移動時,粒子會跟隨著它並始終保持在焦點上。

 

從那時起,許多物理學家和工程師就開始學習使用光鑷子。有的同時捕獲了許多粒子,有的則把鑷子轉換成讓物體旋轉的「光學扳手」。值得一提的是,Ashkin利用雷射捕捉原子與分子的理論,成就了後來朱棣文等科學家成功捕獲到原子,而獲得1997年諾貝爾物理學獎,朱棣文並受到歐巴馬總統的賞識於2008年成為美國能源部長。惟當年的諾貝爾物理獎並沒有同時表彰Ashkin的功勞,許多物理學家因此都為Ashkin叫屈,他個人也感到些許不平。

 

幸好後來光鑷子在生物物理學上另外開啟了一些非常重要的應用。如1987年,Ashkin和Joseph M. Dziedzic就運用了紅外線的光鑷子操縱大腸桿菌和煙草花葉病毒,而且沒有傷及這些生物體,這個功能奠定了其在生物學研究中的重要地位。甚至光鑷子也可用在微流體裝置中分離篩選細胞和其他生物材料,例如把健康細胞分類,或識別可能的癌症細胞,或用以測量奈米等級的被捕物體的微小運動,以及在這個尺度的微小作用力。

 

光鑷子甚至可以從操縱的工具轉變為測量的裝置,是可以測量分子間張力的少數工具之一。它使生物學家得以研究微觀生物世界中負責各類分子馬達運動的原理,這種分子馬達在細胞內來來回回地運輸化學物質、讓細胞游動或爬行,甚至讓整個生物體移動,甚為奇妙。筆者就讀物理系時,也曾照著Ashkin的設計架設了光鑷子,並成功應用於細胞間黏著分子作用力的測量。現今光鑷子因為應用廣泛,研究用的光鑷子設備已可方便購得,不需再自行架設,這對需要測量微小作用力的研究人員造福不少。

 

由於這些廣泛的應用,Arthur Ashkin終於在2018年獲頒諾貝爾物理學獎,享齡96歲的他,意外成為諾貝爾獎史上年紀最大的得主。擁有47項專利的Ashkin雖已退休,惟仍對研究充滿熱忱,獲知得獎當時還在新澤西州的家中進行實驗呢。

 

超短高強度脈衝雷射——啁啾脈衝放大技術

 
飛秒雷射已經用於眼角膜屈光外科手術中治療近視和散光。(圖 / 種子發)
▲飛秒雷射已經用於眼角膜屈光外科手術中治療近視和散光。(圖 / 種子發)

 

1980年代初期,年輕的Donna Strickland從加拿大搬到美國羅徹斯特大學,在那裡,她被一道道紅紅綠綠的雷射光束吸引,這些光束像聖誕樹般照亮了Gerard Mourou的實驗室,也照亮了她的科學夢。

 

雷射在現代生活中幾乎是不可或缺的工具,包括到商店買東西時會用雷射條碼機、簡報時要用雷射筆、CD∕DVD光碟播放機的讀寫頭,到遍布四周卻不會直接看到的光纖通訊(全球使用的網際網路都有它的存在)、雷射切割、雷射手術等,這些技術都始於1950~1960年代科學家對「光放大」現象的研究。

 

雷射技術是基於光通過施加了能量的光放大材料時,在適當的條件下會逐步增強產生「光放大」的效應,如果在這個「光放大器」兩邊各加上一個平行的鏡子,光束就會在這兩面鏡子形成的「共振腔」間來回穿梭更加放大,最後產生一束強度很強並且幾近平行的光束,這過程就是雷射(LASER)這個縮寫名稱的由來(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,其意是「通過受激放射的輻射進行光放大」)。

 

雷射可分為「連續波雷射」與「脈衝雷射」,前者是常見的可連續穩定發出雷射光束的光源,後者則會把聚集在雷射共振腔的能量在瞬間釋放出來,可達到更高的瞬間功率。然而脈衝雷射技術到了1980年代產生了瓶頸,因為若要發展更高強度(功率)的雷射,所使用的放大器會因功率太高而損毀。如果要降低放大器每單位體積所承受的能量,就必須加大光束截面積,這讓高功率的雷射變得又笨重又複雜,甚至導致有些極高功率的大型雷射只能開機短暫的時刻就必須關機冷卻,大幅限制了高功率雷射的應用。

 

針對這一困境,Gerard Mourou和Donna Strickland於1985年發表了一篇革命性的論文。他們的靈感來自一篇描述長無線電波雷達技術的論文,但就理論或實驗而言,其實都難以把上文的想法轉移到波長短了許多的光波。

 

然而,Gerard Mourou和Donna Strickland卻使用了極其巧妙的方法,在不損壞放大材料的狀況下,成功地創建了超短的高強度雷射脈衝。他們為這個技術取了一個有趣的名字,稱為「啁啾(或稱線性調頻)脈衝放大技術(chirped pulse amplification, CPA)」,其意是把光波比喻成鳥叫的聲波,隨時間會有頻率的變化,以致產生優美的鳥鳴聲。

 

由於雷射脈衝是由不同頻率(顏色)的光經適當疊加的結果,因此Gerard Mourou和Donna Strickland想到可以把脈衝雷射的光透過「色散現象」(就如同三稜鏡可以把白光分成彩虹般的各色光一樣),把原本時間很短、瞬間功率很大的雷射脈衝「拉伸」,以降低其最高峰值功率。然後導入放大器中放大它們,之後再把放大過的各頻率光反向操作,重新壓縮回原來的超短脈衝狀態,這時候得到的雷射脈衝強度便會大大增強。

 

利用這項技術,光在放大器中最高峰值降低了,因此放大材料不會損壞。如果脈衝在時間上能壓縮得更短,更多的光就可聚集在同一個微小的空間中,進而產生更強的雷射脈衝。

 

這個CPA技術發表後,很快地成為後續高強度雷射的標準配備,運用CPA原理產生的各種變形與改進技術應運而生。Gerard Mourou和Donna Strickland最早原本是使用長達數公里的光纖來拉伸脈衝,後來改以較簡單的分光光柵把不同頻率的光分開,透過不同的光傳播路徑來拉伸脈衝。透過各種改進,新雷射的最大強度持續大幅增加,也大幅改變了人類的生活。

 

CPA技術所產生的超短、超高功率雷射在研究上可應用於上強場物理學(stron-field physics)、阿秒科學(attosecond science)、雷射電漿加速等,以探討在超強光場與能量下的有趣物理現象。未來甚至可能取代目前十分昂貴的粒子加速方法,產生可以治療癌症的高能放射線。

 

除了基礎物理研究之外,超短、超高功率雷射還可以與工業和醫療應用緊密結合。近年來,飛秒雷射(femtosecond laser)已經用於眼角膜屈光外科手術中治療近視和散光。在雷射輔助原位角膜磨鑲術(laser-assisted in situ keratomileusis, LASIK)中,飛秒雷射更可提供足夠的能量及精準度來重塑角膜基質,讓整個手術只有非常小的傷口。

 

值得一提的是,Donna Strickland是繼1903年Marie Curie和1963年Maria Goeppert-Mayer之後,第3位獲得諾貝爾物理學獎的女性。

 

總之,2018年3位諾貝爾獎得主創造了新的雷射光工具,大幅改變了人類的生活。這些工具未來可用以探索更深入的科學領域和應用,為人類創造更多的幸福。

 
 
來源 來源:
《科學發展》2019年5月,557期,44~47頁
原標題: 2018諾貝爾物理獎──超快超強還能隔空取物的雷射光
標籤 標籤:
雷射(19)諾貝爾獎(21)脈衝雷射(1)雷射光(3)
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