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获2018诺奖的激光物理技术,为什么要用鸟叫命名?

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发表于 2018-10-3 11:27:19 | 显示全部楼层 |阅读模式
  来源:中国科普博览
  2018年的诺贝尔物理学奖于中国时间10月2日揭晓,Arthur Ashkin 因为发明光镊技术(Optical Tweezer),独享一半奖金;Gérard Mourou 和 Donna Strickland 因为发明啁啾脉冲放大技术(Chirped Pulse Amplification),分享另一半奖金。


  可能有人会疑惑,怎么颁给了两个看起来不相关的技术?
  实际上,我们应该理解为,今年获奖的领域为激光物理。
  自从激光在1960年被发明之后,与激光有直接关系的诺贝尔奖有几十项之多。今年的物理学奖奖励的确实是两项相互之间没有多大关联的激光技术,这两项技术的背后并无多少深刻物理可言,但它们开启了多个崭新的学科,为人类认识世界提供了前所未有的强大工具,尽管出乎很多人的预料,但的确实至名归。
  发明光镊技术96岁Arthur Ashkin教授独享一半奖金
  Arthur Ashkin发明了光镊技术,也就是利用激光光束,像镊子一样去“夹”起微观粒子(原子、分子等)和微小物体(比如细胞、病毒等)。
  这背后的原理可以借助动量这一概念来理解。
  在中学物理中,我们知道一个运动物体所具有的动量等于该物体的质量乘以它的速度。当两个物体发生弹性碰撞时,动量可以在二者之间转移。比如在打台球时,用白色主球撞击其他球的过程,也就是将白色主球的部分或者全部动量转移给其他球的过程。


图片来自于维基百科
  光具有粒子性,自然也具有动量。当照射在镜面上的光被镜子反射时,光的动量发生改变,从而对镜子产生一个压力(推力),这种压力也被称为辐射压力(Radiation pressure)。
  光对被照射的物体施加辐射压力这一概念,最早由德国数学家和天文学家开普勒在1619年提出。
  当时人们发现彗星接近太阳时,总是拖着长长的尾巴(彗尾),而且尾巴总是出现在彗星背向太阳的一侧。开普勒认为是太阳光的辐射压力将彗星中很多尘埃颗粒推向彗星身后,从而在其背向太阳的一侧形成彗尾。


  哈雷彗星在1986年到访地球附近(图片来源:NASA)。在中国传统文化中,彗星象征着不吉利。又因为看起来像个扫把,所以彗星在中国又被称为扫把星。哈雷彗星每76年光临一次地球。世界上公认的对哈雷彗星最早的记录,来源于《史记》。
  1871年,电磁学集大成者麦克斯韦在理论上预言了辐射压力现象。辐射压力很小,将平均功率为5毫瓦的激光垂直入射到镜子表面,假定所有光被反射,那么镜面所感受到的压力只有33×10^-12牛顿。
  如果将光束聚焦,在焦点附近的物体的不同部分感受到来自不同方向上的光线,这些光线在物体表面既有反射又有折射,反射和折射改变光的动量,因此光对物体产生力的作用,由于光强在焦点附近呈梯度分布,从而对物体产生了梯度力(Gradient force)。如果物体很小(纳米到微米量级)也很轻,它就会被聚焦光束限制在焦点附近、合力为零的平衡位置。通过移动光束的焦点位置,被“抓住”的微小物体也会随之被移动。
  1970年,在贝尔实验室工作的Ashkin发明了这种光镊技术,随即被广泛应用于生物学研究,用于操作生物大分子或者细胞等,开辟了许多崭新的领域。


图片来自于维基百科
  因发明啁啾脉冲放大技术师徒共享一半的诺奖奖金
  Gerard Mourou和 Donna Strickland因发明啁啾脉冲放大技术而平分另外一半的诺贝尔奖。
  这项技术关注的是如何通过不断的放大从而提高一个超短脉冲的峰值功率。
  1961年,也就是激光被发明之后的第二年,人们就发现激光可以与物质进行非线性的相互作用,产生新的光谱分量,从而诞生了非线性光学这一学科。
  非线性相互作用的强弱依赖于光的功率。最为有效的增强激光与物质非线性相互作用的手段是将光的能量集中在很短的一段时间内(比如一个纳秒或者更短),从而获得极高的峰值功率。因此,在70年代,激光技术的一个主流研究方向是如何获得时间上越来越短的光脉冲,并诞生了另外一门学科—超快光学。
  很快,人们就意识到,如果要进一步提高脉冲的峰值功率,需要对脉冲进行多级放大。但问题是,当脉冲对峰值功率足够高时,会和放大装置本身产生非线性相互作用,破坏光束质量,甚至损坏放大装置。
  1985年,Gerard Mourou和 Donna Strickland通过发明啁啾脉放大技术有效地解决了这一问题。
  具体是如何解决呢?
  一个激光脉冲的频谱包括不同的频率分量,不同地频率分量在物质中传输地速度不同,因而脉冲会在传输过程中逐渐变宽。
  Gerard Mourou和 Donna Strickland让该脉冲在一段很长的光纤中传播,从而将脉冲展宽为原来宽度的100多倍,相应的脉冲峰值功率也降低了100多倍。然后,将该被展宽的脉冲进行放大,便可以有效抑制非线性效应;放大之后,再利用一个压缩器将脉冲压缩回原来的宽度。
  这样,通过展宽-放大-压缩就可以得到峰值功率极高的超短光脉冲,也从而诞生了超强超快激光这一研究领域。


图片来自于Gerard Mourou和 Donna Strickland1985年发表的文章
  这项技术有一个非常形象的名字—啁啾(读作“zhōu jiū”)脉冲放大。
  被放大之前的脉冲经过光纤展宽后,由于不同频率成分传输速度不一样,导致脉冲的瞬时频率会随着时间变化。啁啾是形容鸟叫的声音,如果仔细听,就会发现鸟叫的声音频率也会随时间变化,先低后高。
  在超快光学中,啁啾已经成为一个异常重要的物理术语。


图片来自于Gerard Mourou
  啁啾脉冲放大技术正大放异彩
  自问世后,啁啾脉冲放大技术已经成为产生超强超短脉冲激光必须采用的技术。
  欧盟正在建设中的未来国际上最强的激光装置——ELI装置,其输出的超短脉冲可望具有200PW的峰值功率,经过聚焦后有望得到近10^(24-25)W/cm2超高强度,这将开启崭新的物理研究,揭示极端条件下的物理规律。
  我国在超快超强激光具有非常扎实的基础,已经取得了一批国际领先的成果。
  就在啁啾脉冲放大技术发明的几年后,在侯洵院士领衔的“攀登计划”支持下,中科院西安光机所、天津大学等单位对该技术进行了系统研究。近年来,中科院物理研究所、上海光机所及中国工程物理研究院等单位在科技部、863及基金委等项目的持续支持下,相继取得了突破世界纪录的结果。如物理所2011年率先在国际上基于该技术利用钛宝石激光取得了大于1PW的结果,上海光机所利用该技术在5PW的基础上,去年又获得了10PW的目前最高峰值功率。我国科学家取得的相关成果,已在国际上形成重要影响,极大地提高了我国在该领域的国际地位。
  Gerard Mourou是我的导师的导师,虽然已经74岁,但一直活跃在超快超强激光的学术前沿 。就在几年前,他领导成立了一个新的国际研究中心——The International Center for Zetta-Exawatt Science and Technology (IZEST),目前全世界已有30多家研究单位加盟。依托该中心,Gerard Mourou希望研究出新一代的激光技术,能够将激光的峰值功率在现在的水平上继续提高3-5个数量级。
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