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2018诺贝尔物理学奖揭晓:没有想到是一项技术“用光制造的工具”获奖

 2018诺贝尔物理学奖揭晓:

美法加三位科学家共同分享

  北京时间10月2日消息,据国外媒体报道,诺贝尔物理学奖刚刚揭晓! 

  2018年诺贝尔物理学奖授予Arthur Ashkin、 Gérard Mourou  、Donna Strickland,由来自美国,法国和加拿大的三位科学家共同分享,表彰他们在激光物理研究领域的突破性发明 !瑞典皇家科学院将9百万瑞典克朗(约合695万人民币)的奖金一半授予美国科学家亚瑟·阿什金Arthur Ashkin,另一半将法国科学家 吉拉德·毛罗Garard Mourou和加拿大科学家多娜·斯蒂克兰德Donna Strickland一起分享。

  亚瑟·阿什金Arthur Ashkin的获奖理由是“由于他所发明的光镊及其在生物系统领域的广泛应用”,亚瑟·阿什金来自美国贝尔实验室;

  另两位科学家的获奖理由是“他们所开创的高强度,超短波长激光产生方法”,吉拉德·毛罗来自法国巴黎综合理工大学,多娜·斯特克兰德来自加拿大滑铁卢大学;

  值得一提的是,Donna Strickland是自2015年以来第一位获得诺贝尔奖的女性,她也是第三位获得诺贝尔物理学奖的女性,第一位是1903年居里夫人。

  今年诺贝尔物理学奖授予激光物理学革命性发明。激光物理通过新的装置可对非常小的物体进行实验,并实现难以置信的快速进程,先进的精密仪器正在开辟未知研究领域,并应用于工业和医疗领域。

  科幻已经成为现实。光镊或光钳使得我们可以利用光束作为工具,去进行观察,转动,切,推或者拉的动作。在许多实验室中,光钳被广泛用于对生物过程的观察,比如蛋白质,分子马达,DNA或者细胞内部活动。

  由光制成的工具

  今年的获奖成就在激光物理领域产生了一场革命,我们现在可以用崭新的方法对极端微小的物体和超高速过程进行观察。先进的精细设备正在打开崭新的研究领域,并具有广阔的工业与医学应用前景。

  亚瑟·阿什金发明的光镊使用激光光束来抓取粒子,原子以及分子。这种崭新的工具使阿什金得以讲一个古老的科幻梦想变成现实,那就是利用光的辐射压强去移动物理对象。他成功地操控激光束,使其接近光束的中心并在那里被囚禁住。这就是光镊。

  一项关键性的突破出现在1987年,当时阿什金使用光镊在不对其造成伤害的情况下捕获了活体的细菌,随后他立即开始着手对生物系统的研究。今天,他发明的光镊技术已经被广泛应用于对生命机制的探索。

  吉拉德·毛罗和多娜·斯蒂克兰德所做的工作为产生人类有史以来波长最短,能量最高的激光铺平了道路。他们的那篇开创性论文发表于1985年,这也是多娜·斯蒂克兰德博士论文的基础。

  借助一种巧妙的方法,他们成功地在不损坏放大材料的基础上创造出超短波长,超高强度的激光。他们首先将激光波束在时间上拉伸,以便削弱其峰值强度,随后对其进行放大,最后再对其进行压缩。如果一段波束在时间上被压缩,变得波长更短,那么将会有更多的光被压缩到一个极小的空间内,此时该波束的强度就将急剧上升。

  吉拉德·毛罗和多娜·斯蒂克兰德的这项新技术被称作“啁啾脉冲放大”(CPA),并很快被推广并成为产生超强激光束的标准技术。每年在全球各地开展的数百万例眼科激光手术中,就应用到了这项技术。

  这些技术在不同领域的应用价值还尚未得到充分的探索。但是即便是在现在,这些技术的结合已经可以让我们在微观世界里到处探寻,并时刻铭记诺贝尔奖创建者诺贝尔先生的遗志:为了全人类的福祉。

  去年诺贝尔物理学奖授予三位美国科学家,他们使用深奥理论和巧妙装置探测宇宙引力波。

  获奖人:

  唐纳·斯特里克兰(Donna Strickland),来自加拿大滑铁卢大学的国际著名光学专家、啁啾脉冲放大技术(Chirped Pulse Amplification, 简称CPA技术)发明者之一。她曾是加拿大国家研究中心的研究助理,劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家和普林斯顿大学技术委员会委员。唐纳·斯特里克兰教授于1997年进入加拿大滑铁卢大学物理系,她曾获得过隆研究学者奖、科特雷尔学者奖和总理杰出研究奖,她现在是美国光学学会的会士并曾于2013年度担任美国光学学会主席。 

  “我们必须为女性物理学家们欢呼,因为她们就在那里。我很骄傲我是她们之中的一员。”——多娜·斯蒂克兰

  多娜·斯蒂克兰今天的获奖,使其成为继玛丽·居里(居里夫人,1903)以及玛利亚·梅耶(梅耶夫人,1963)之后,历史上第三位获得诺贝尔物理学奖的女性科学家。

  亚瑟·阿什金Arthur Ashkin,出生于1922年9月2日,是美国科学家和诺贝尔奖得主,他曾在贝尔实验室和朗讯科技公司工作过。20世纪60年代后期,他开始使用激光操控微粒,1986年发明了光学镊子。同时,他还开创性研制光学捕获过程,最终用于操控原子、分子和生物细胞。该过程的关键在于光的辐射压力,该压力可以分解为光学梯度和散射力。阿什金被许多人认为是“光学镊子研究领域之父”。

  1992年,阿什金从贝尔实验室退休,在他40年的职业生涯中,他参与了许多实验物理学领域的研究。多年以来,他撰写了许多研究论文,拥有47项专利。2003年,他被授予约瑟夫·吉时利测量科学进步奖;2004年,他被授予哈维奖。1984年,他被选入美国国家工程学院,1996年,他被选入美国国家科学院。目前,他继续在自己的家庭实验室工作。

  吉拉德·毛罗(Gérard Albert Mourou)出生于1944年,他是一位法国科学家,也是电气工程、激光领域的先驱者。他和唐娜·斯特里克兰(Donna Strickland)共同发明了一种“脉冲放大技术(CPA)”。之后该技术被用于制造超强度脉冲、超高强度(万兆瓦等级)的激光脉冲。

  1994年,毛隆和密歇根大学研究小组通过电离和稀疏空气中万兆瓦等级激光束,可以发现自聚焦折射和自衰减衍射之间的平衡。

  2015年11月23日,毛隆出席了罗马尼亚首都布加勒斯特第三届圣诞讲座,他的报告主题是——“突破未知:极端光线,从科学到艺术。”

  以下是关于诺贝尔物理学奖的一些趣事:

  1、从1901年到2017年,物理学奖一共颁发111次。其中,有47次授予一名科学家,32次由两名科学家分享,32次由三名科学家分享。

  2、共有207人次获得诺贝尔物理学奖,其中美国物理学家约翰·巴丁在1956年和1972年两次摘走物理学奖桂冠,因此实际获奖科学家为206名。

  3、截至2017年,只有两名女性科学家获得物理学奖。最近一次是在1963年,德裔美国女物理学家玛丽亚·格佩特-梅耶因发展了解释原子核结构的数学模型获得物理学奖。

  4、历届物理学奖获奖者获奖时的平均年龄是55岁。最年轻的得主是英国物理学家劳伦斯·布拉格,他因X射线晶体结构的研究于1915年获奖,当时才25岁;最年长的是美国科学家雷蒙德·戴维斯,他2002年获奖时已88岁高龄。

  5、在物理学奖的历史上,曾有1对“夫妻档”同时获奖。居里夫妇的故事人们早已耳熟能详,因对放射性物质的研究,皮埃尔·居里、玛丽·居里夫妇一同获得1903年诺贝尔物理学奖。有意思的是,居里夫妇的女儿伊雷娜·约里奥—居里与丈夫弗雷德里奥·约里奥共同获得过1935年诺贝尔化学奖。

  6、在物理学奖获奖者中,还有4对“父子档”,其中威廉·布拉格与劳伦斯·布拉格于1915年同时获奖,其他三对父子不是同年获奖。

来源:新浪科技

通往更加极端的光学之路:

“用光制造的工具”获诺奖


  北京时间10月2日消息,据国外媒体报道,今年的诺贝尔物理学奖授予了变革了激光物理学的发明。在一种新的光线下,我们可以发现极为微小的物体和极其快速的过程。不只是物理学,化学、生物学和医学都从先进的精密仪器中受益,无论是基础研究和实际应用。

  亚瑟·阿什金(Arthur Ashkin)发明了光学镊子,能通过激光束“手指”抓取颗粒、原子和分子。光学镊子还能用于操纵病毒、细菌和其他活体细胞,并且在观察和操纵过程中不造成损伤。阿什金的光学镊子为观察和控制生命的机械过程创造了全新的契机。

  杰哈·莫罗(Gérard Mourou)和 多娜·斯崔克兰(Donna Strickland)为人类研制有史以来波长最短、能量最高的激光铺平了道路。他们所开创的技术开启了该领域科学研究的崭新纪元,并在工业与医药领域得到广泛应用。例如,每年都有数以百万计的眼科手术正是借助最锋利的激光束完成的。

  阿什金开发了一种光学陷阱,后来该技术被称为光学镊子 1 微小的透明圆球被激光照射后开始移动。它们的速度与阿什金的理论估算相符,表明确实是辐射压在推动着它们。 2 一个令人意想不到的效应是,辐射压力具有梯度,会促使圆球向光束中央位置移动,那里有着最高的光强度。这是因为光强度会向外侧逐渐减小,而推动小球的所有力的总和将其推向光束中心。 3 阿什金将激光束的方向朝上,使圆球浮起。此时辐射压抵消了重力。 4 激光束经由透镜实现聚焦。此时光线就可以用于捕获粒子,甚至操纵活着的细菌和细胞,成为一把光学镊子。

  光学镊子绘制出了驱动蛋白沿着细胞骨架移动的过程 1 驱动蛋白分子连接到光学镊子操纵的一个小圆球上。 2 驱动蛋白沿着细胞骨架移动。它拉动了圆球,因此可以通过圆球测量其“行走”运动。 3 最终,驱动蛋白无法承受光学陷阱的力,圆球回到了光束中心。

  在光束中移动

  亚瑟·阿什金有一个梦想:将光束作为工作时的工具,并用它推动物体移动。在20世纪60年代中期推出的系列美剧《星际迷航》中,有一种光束可以在不触及物体——包括太空中的小行星——的情况下对其进行牵引。当然,这听起来就像纯粹的科幻概念。我们能感觉到阳光携带着能量,晒太阳会让我们感受到热,但来自阳光光束的压力太小,我们没有任何挤压感。但是,这种压力是否足以推动极其微小的颗粒和原子呢?

  在1960年第一台激光器发明之后,阿什金立即开始在纽约郊外的贝尔实验室中试验这台新设备。在激光中,光波会连续移动,而不是像平常的白光那样混杂了各种各样的颜色,并向各个方向传播。

  阿什金意识到,激光可以作为一种完美的工具,利用光束来移动微小粒子是可能的。他用激光照射微米级的透明小球,并很快就让这些小球动了起来。与此同时,阿什金惊讶地发现,这些小球被拉到了光束最为密集的中间位置。对此的解释是,无论一束激光有多么锐利,它的强度也会从中间向两侧减小。因此,激光施加于粒子上的辐射压也有差别,会迫使它们朝着光束中心的位置移动并稳定下来。

  为了保持粒子位于光束的方向上,阿什金增加了一个聚焦激光的强透镜。这些粒子因此被拉向光强度最高的位置。一个光学陷阱诞生了;后来,这种装置被称为光学镊子。

  光线捕获的活细菌

  经过多年的努力和多次挫折之后,科学家终于能用这个光学陷阱捕获单个原子。这一过程存在许多困难:一个是光学镊子需要更强的力以抓取原子,另一个问题是原子的热振动。有必要找到一种方法,使原子的运动减慢下来,并将它们放入一个比本句最后的句点还要小得多的区域内。一切问题都在1986年得到解决,光学镊子与其他方法相结合,成功静止并捕获了原子。

  在减慢原子速度本身成为一个新研究领域的同时,亚瑟·阿什金发现了光学镊子的一个全新用途——研究生物系统。一个契机的出现使他进入了这一领域。在尝试捕获更小粒子的过程中,阿什金使用了小型花叶病毒的样品。在刚好将样品暴露着放了一夜之后,里面已经充满了到处移动的大颗粒。在显微镜下,阿什金发现这些粒子其实是到处游动的细菌,而当它们靠近激光束时,会被困在光学陷阱当中。不过,阿什金的绿色激光束杀死了细菌,因此要让它们活下来,还需要强度较小的光束。在不可见的红外光下,细菌没有受到损伤,并且能够在光学陷阱中繁殖。

  由此,阿什金接下来的研究主要关注众多不同的细菌、病毒和活细胞。他甚至展示了在不破坏细胞膜的情况下,进入细胞内部的可能性。阿什金为光学镊子的新用途开辟了一整个世界。一个重要的突破是对分子马达——在细胞内部进行关键工作的大分子——机械性能的研究。利用光学镊子进行详细绘图的分子马达是一种驱动蛋白,它在微管构成的轨道上“行走”,而微管是细胞骨架的一部分。

  从科幻小说到实际应用

  在过去几年间,许多研究者在阿什金发明的基础上进行了拓展。目前,光学镊子推动了无数实践应用的开发,使在不触碰研究对象的情况下,利用光学镊子对其进行观察、翻转、剪切、推动和牵引成为可能。在许多实验室中,激光镊子成为了研究生物过程——诸如单个蛋白质、分子马达、DNA和细胞内部活动等——的标准设备。光学全息摄影是最新的开发成果之一,通过该技术,数千个光学镊子可以同时发挥作用,其用途包括将健康细胞与感染细胞分离,这在对抗疟疾等疾病的过程中具有广阔的应用潜力。

  超短高强度光束的新技术

  该技术的灵感来自一篇描述雷达及其无线电波(长波)的学术文章。然而,将这一概念转化为波长更短的光波十分困难,无论在理论上还是实践上。1985年12月,一篇突破性的论文发表,而这正是多娜·斯崔克兰的第一篇学术文章。她从加拿大搬到了美国的罗切斯特大学,在那里对激光物理学产生了兴趣,因为绿色和红色的光束将实验室装点成了一棵圣诞树,至少在她的导师杰哈·莫罗看来是这样的。现在,科学家已经实现了论文中提到的一项技术——将短激光脉冲的强度提高到前所未有的程度。

  激光的产生是通过光子的连锁反应,不断形成更多的光子。这些光子可以通过脉冲释放。在大约60年前激光发明之后,研究人员一直努力尝试制造出更高强度的脉冲。然而,到20世纪80年代中期,人们似乎到达了道路的终点。对于短脉冲而言,在不破坏放大材料的情况下,似乎已经不可能再增加激光的强度了。

  CPA技术对于激光技术具有创新意义,它使用一种非常复杂的方法,使非常强而短的脉冲释放成为可能,从而避免了破坏放大材料的风险。它不是直接放大光脉冲,首先及时拉伸,降低其峰值功率。之后脉冲被放大,当它被压缩时,更多的光线就收集在同一个位置——光脉冲变得非常强烈。

  斯崔克兰和莫罗的新技术被称为“啁啾脉冲放大”(chirped pulse amplification, CPA),是一种既简单又精巧的技术。他们将短激光脉冲的时间延长,放大它又压缩它。当激光脉冲的时间延长时,它的峰值功率大大降低,因此可以在不破坏放大器的情况下显著放大。接着,激光脉冲的时间压缩,意味着更多的光集中在很小的空间内,从而使脉冲强度极大增强。

  斯崔克兰和莫罗花了好几年时间将这一切成功地结合在一起。与往常一样,丰富的实践和概念细节带来了许多困难。例如,激光脉冲的延长需要用到一条新研制的2.5千米长光纤。但是,没有光线出来——光纤在某处破裂了。经过大量的努力,他们发现1.4千米的长度已经足够。一个重大的挑战是同步设备中的各个阶段,使光束的延长和压缩相对应。这个问题在1985年也得到解决,斯崔克兰和莫罗首次证明了他们的精巧设计在实践中也能奏效。

  斯崔克兰和莫罗发明的CPA技术变革了激光物理学,成为后来所有高强度激光器的标准,并且为在物理学、化学和医学中的应用开辟了全新的领域。现在,科学家在实验室中已经能制造出最短最强的激光脉冲。

  来自飞秒激光仪的短脉冲(图右)比从纳秒激光仪释放的数百万倍长的长脉冲(图左),对材料造成的危害更小,超短和超密度激光脉冲可用于眼部手术、数据存储和制造人体血管的医用支架。

  全世界最快的摄像机

  超短高强度脉冲具体有哪些用途呢?该技术早期曾用于微观摄影,在拍摄分子与原子时迅速照亮拍摄背景。这些过程速度极快,因此在很长一段时间里,科学家只能描述反应前和反应后的情况,无法描述反应过程。但有了飞秒级的激光脉冲(即1秒的1000万亿分之一),我们便可以观察到这些转瞬即逝的过程了。

  激光强度极高,足以改变物体性质,如可以将电子绝缘体转变为导体。超精准激光束还能在各类材料上以极高的精度进行切割或钻孔,尤其是在生物活质上。

  例如,激光可以用于打造更高效的数据存储,因为存储空间可以不仅限于材料表面,还可以深入存储介质内部、以微孔的形式存在。该技术还可用来制造外科手术支架(即能够扩张、加强血管的微米级金属圆柱体)、尿管和其它体内“通道”。

  该技术的应用领域不计其数,但目前尚未得到完全发掘。每一项进展都能帮助研究人员打开新世界的大门,基础研究和实际应用都随之不断改变。

  “阿秒”物理是近年来新诞生的研究领域之一。短于100阿秒(1阿秒=10^-18秒)的激光脉冲能够让我们看到神奇的电子世界。电子相当于化学反应中的“老黄牛”,所有物质中的光学及电子性质、以及化学键都与电子有关。如今有了阿秒激光技术,科学家不仅能观察电子,还能操控电子。

  光脉冲速度越快,可被观测到的运动就越快。几乎不可思议的短激光脉冲都接近于几飞秒,甚至比阿秒(attoseconds)等级快几千倍。这样的事件仅能进行猜测,被拍摄变化过程;原子核周围的电子移动现在可使用阿秒照相机进行观测。

  通往更加极端的光学之路

  对于这些全新的激光技术的许多应用已经呼之欲出——更快的电子设备,更高效的太阳能电池,更好的催化剂,更强大的加速器,新的能源,或者医药。因此毫不奇怪的,在激光物理领域存在着激烈的竞争。

  多娜·斯崔克兰现在继续在加拿大开展自己的研究,而杰哈·莫罗已经回到法国,正参与一个覆盖全欧洲的激光技术发展计划。他发起并领导了欧洲“极端光基础设备”(ELI)计划。该计划所涉及的三处分别位于捷克共和国,匈牙利和罗马尼亚境内的设施预计将在数年内完工。该计划产生的激光峰值强度将达到10拍瓦,这相当于100亿个电灯泡同时点亮的能级。

高强度激光脉冲的发展。CPA技术是高强度脉冲技术爆炸性发展的基础。

  这三处设施将聚焦于不同的研究领域,匈牙利设施将聚焦阿秒研究,罗马尼亚设施聚焦核物理学研究,而捷克共和国境内的设施将聚焦于高能粒子束研究。而在世界范围内,还有更多,甚至比这更加强大的装置也正在研制中,其中包括中国、日本、美国和俄罗斯的相关研究机构。

  已经有学者开始设想下一步的发展:在强度上再升级10倍,达到100拍瓦级别。对于未来激光技术的展望不会止步于此。难道能量达到泽瓦(100万拍瓦,10的21次方瓦)级别,脉冲时长短于千分之一阿秒(约合10的负21次方秒)的激光束就不能研制出来吗?

  新的地平线正在远方隐隐显现,从针对真空量子效应的研究,到用于治疗癌症的放射疗法。但是即便是现在,这些技术的结合已经可以让我们在微观世界里到处探寻,并时刻铭记诺贝尔奖创建者诺贝尔先生的遗志:为了全人类的福祉。(新浪科技)

 “没有想到是一项技术获奖。”今年的诺贝尔物理学奖得主并没有出现在任何一份预测名单当中。

  就连获奖者之一、物理学奖史上第3位女性——加拿大滑铁卢大学科学家唐纳·史翠克兰(Donna Strickland)在接到诺贝尔奖现场的电话时都激动地说:“首先,必须得说这很疯狂!”

  北京时间10月2日下午5时52分,2018年诺贝尔物理学奖揭晓。


来源:新浪科技


解读诺贝尔物理学奖:

没有想到是一项技术获奖


  今年该奖项被授予“激光物理学领域开创性的发明”。其中一半奖金授予美国贝尔实验室科学家阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin),因其在“光学镊子及其在生物系统中的应用”领域所做的工作;另一半奖金由法国巴黎综合理工学院科学家杰拉德·莫柔(Gérard Mourou)和加拿大滑铁卢大学科学家唐纳·史翠克兰(Donna Strickland)共同分享,以表彰他们在“产生高强度、超短光脉冲方法”方面的工作。

  UFO照下来一束光,然后就把人定住了,紧接着就是身体不受自己意识控制地进入了飞碟……原来这技术是真的!

  阿瑟·阿什金发明的光学镊子搬运粒子的情形就酷似一个无形的机械手,这个看不见的机械手将按照你的意志自如地控制目标粒子。

  Q:光镊技术是如何被发现的?有什么用?

  中国科学技术大学光镊研究组教授李银妹:

  曾为阿瑟感到惋惜,认为他错过了1997年诺贝尔物理学奖。因为他曾在Bell实验室与朱棣文一起研究原子冷却,当时阿瑟关注到光场对比较大的粒子的力学效应,并在这个方向做了很多延伸,有了许多新发现,最终发明了光镊。

  阿瑟开辟了这项技术后,并一直坚持研究光镊对细胞、单分子、单个颗粒的应用。光镊技术的“鬼斧神工”对于生命科学的意义,正如阿瑟所说:将细胞器从它正常位置移去的能力,为我们打开精确研究细胞功能的大门。光镊是多学科交叉的技术,吸引越来越多的科学家投入其中。

  中科院院士杨国祯:

  这项技术特别是在生命科学和精密测量领域有很大用处。比如细胞、蛋白质分子都是微小颗粒,“光镊”可以用来操控这些分子和微小颗粒,通过调控它们的运动,可以用来研究和测量这些微粒或分子的性能。

  Q:光镊技术在中国的研究进展如何?

  李银妹:

  1989年,中科院院士郭光灿闻讯光镊子技术发明,在国内开启研究。我非常有幸当年能参加到郭光灿老师领导光镊技术研究。为了将光镊技术介绍给中国学者,于1996年出版《生命科学新技术-光镊技术原理、技术和应用》, 2016年又与姚焜老师合著出版了《光镊技术》。

  2013年,我们首次成功利用光镊技术实现对活体动物内的细胞进行光学捕获。在活的动物体内研究细胞生长、迁移、细胞及蛋白质间相互作用等生物学过程,对生命科学、医学研究以及临床诊断具有重大意义。当前正希望将光镊技术向临床方向突破,要将光镊进入到更深层次,即血管内进行细胞操控。

  此突破的难点在于光通过一定厚度的活体组织会受到生物组织的强烈散射,这样就不能形成光镊。采取通过对活体组织外部光场进行调控的方法,期望达到在深度血管内形成光镊的目的。目前已在光场调控方面获取一定进展,寄希望能取得如期目标,将光镊技术推向生物医学实际应用。

  同时在行进的另一个研究方向,即利用光镊操控一个被捏合在单分子上的微米小球来控制单个分子,用光镊提供的pN力研究生物马达相互作用以及RNA分子结构和功能等。

  你造吗?每年数以百万计的矫正眼睛手术,用的是一种叫做啁啾脉冲放大的技术。

  杰拉德·莫柔和唐纳·史翠克兰为人类创建迄今最短、最强激光脉冲奠定了基础。利用一种巧妙的方法,两人在无须摧毁放大材料的前提下成功创建了超短高强度激光脉冲。

  Q:啁啾脉冲放大技术是个啥?

  中国科学院上海光学精密机械研究所所长、中国科学院院士李儒新:

  啁啾是什么意思呢?指的是鸟的叫声在不同时刻有不同的频率。他们两个人发明的这种技术,能在放大光的过程中,让光在不同时刻呈现不同的频率。这种脉冲放大之后,再用另外一种技术把光的频率同步起来,这样就能获得一个时间非常短、强度非常高的脉冲。

  现在所有的大峰值功率激光器,都用到了这种放大技术。包括法国、英国、日本等一些国家正在进行的项目。在国内有中科院物理所的PW级别的激光器,中科院上海光机所的10PW激光器,包括我们将要进行的100PW激光器的项目,也会用到这种技术。

李儒新院士与Gérard Mourou教授

  中国科学院物理研究所光物理重点实验室研究员魏志义:

  这种技术是做什么的呢?把激光的峰值功率安全地放大到更高的量级。如果把持续时间非常短的激光脉冲直接放大,会导致放大的饱和,以及激光元件的损坏,因此将遇到瓶颈。Mourou和他的学生Strickland就把脉冲展宽之后,再进行放大。等激光的能量高到一定程度之后,再进行脉冲压缩,把脉冲宽度压缩到很短,这样一来,相应的峰值功率就非常高,聚焦后的激光强度也就大大提高了。

魏志义2007年在第一届国际PW激光讨论会上,与诺奖得主Gérard Mourou的合影,最右为魏志义,右二为Gérard Mourou

  Q:离应用还有多远?

  魏志义:

  经过放大后的超快激光由于具有高的峰值功率与强度,如今在医学、工业以及前沿科学研究等领域大放异彩。在医学领域,超短超强激光可以产生一些新的成像技术,并用于近视眼手术,其产生的高能量质子束、高强度X射线可用于癌症的早期诊断与治疗。在工业领域,特殊材料的高精度加工,诸如手机屏幕的切割等都需要用到超快超强激光。

  此外,放大后的强激光还可应用于激光尾场加速(laser wake field acceleration,简称LWFA),能够把粒子的能量加速到很高,甚至接近光速,也可以产生公里量级的等离子通道。

  Q:国内在该技术方面的进展如何?

  魏志义:

  国内对于这项技术的应用也比较早,取得了比较不错的成果,已在国际上具有重要影响,比如中科院上海光机所、九院(中国工程物理研究院)、中科院物理所等。物理所曾在2011年实现了的1.16PW(1.16x1015W)峰值功率,是当时国际同类研究最高。

  作为他们的同行,我觉得Mourou和Strickland早就应该拿到诺奖了,实际上他们已被提名多次,因此今年获此殊荣,也在意料之中。该成果不仅给激光领域带来深刻影响,也给核物理、光物理等领域的科学家提供了革命性的技术手段。

  中国科学院上海光机所强场激光物理国家重点实验室主任冷雨欣:

  1985年的时候,两位教授发明了这项技术并在杂志上发表,当时Donna Strickland教授还是Gérard Mourou教授的博士生。虽然文章发表的杂志影响因子不是很高,但该技术很先进。

  这一工作发表没多久,中科院上海光机所徐至展院士就敏锐的注意到这一项工作,开拓与发展了我国超强超短激光与强场物理领域及其重大应用研究。

  Gérard Mourou教授和Donna Strickland教授都曾经来过中国。特别是Gérard Mourou教授,最近几乎每年都来上海,对推动中国超强超短激光和强场激光物理的发展给予了很大的帮助。

  中科院物理所研究员曹则贤:

  激光领域是我国一直长期保持国际前沿水平的研究领域。激光是1960年发明的,据说我国1961年就研制成功了第一台激光器。就布局而言,中国科学院在长春、西安、合肥和上海有四家专业的光学与精密机械研究所,中国科学院物理所以及九院等单位的超强、超短脉冲研究成果也处于世界前列。

  北京大学信息科学技术学院教授张志刚:

  如果问和世界水平的差距的话,可以说差距不大。诺奖是给原创的,而我国的超短脉冲、超高功率激光器,技术上没有很大创新,如果我们要获诺奖,还需要从源头上创新,而不是追求某些技术指标。

Gérard Mourou教授访问上海光机所

来源:中国科学报 记者 陆琦 张楠 见习记者 任芳言 韩扬眉)


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