科普小课堂丨光的奇迹

走进武汉科技馆光展厅,会发现很多展品都与激光相关,包括激光发展史、激光之谜、激光家族及其应用、激光加工等等。作为20世纪以来,继原子能、计算机、半导体之后人类的又一重大发明,激光被称为“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”。而今年10月份宣布的诺贝尔物理学奖,就是颁给了三名激光物理学家,以表彰他们“突破性发明”实现了光的奇迹。

奖项的一半授予了美国科学家阿瑟·阿什金,他发明了光镊,利用激光束缚和控制单个原子大小的物体,这项技术对于 DNA、病毒、细菌和活细胞相关的研究非常有帮助。

我们早就知道了光是具有能量的,毕竟无论是谁在炎炎烈日下暴晒一会儿都会觉得很热。但是,这样的光压强太小,别说是用来搬东西了,光照在我们身上,我们连一丁点儿的推力都感受不到。不过,换个角度想想,这样的力量对人体来说可能太小,但如果换成极小的粒子甚至是原子会怎样? 阿什金意识到,具有很好的单色性以及很高相干性的激光将会是移动微小粒子的理想工具。经过多次实验,阿什金发明了光镊,它能够用一束高度汇聚的激光形成三维势阱来捕获、操纵极其微小的粒子。如今在许多生物实验室中,光镊已经是标配。

奖项的另外一半授予法国物理学家热拉尔和加拿大物理学家唐娜,因为他们提出了制造高强度、超短波脉冲激光的方法。值得一提的是,唐娜是继居里夫人和 Ma-ria Goeppert-Mayer 之后第三位获得诺贝尔物理学奖的女性,也是55年来首位获得该奖的女性。

热拉尔是唐娜的博士生导师,他们发明的新技术被称作“啁啾脉冲放大”,这种方法能让更多的光被压缩在一个极小空间内,从而大幅提高脉冲的强度。它成为后来所有高强度激光的标准技术,并且其在物理、化学、药学等领域的应用开启了一个全新的时代。

例如,每年有数百万台的眼睛手术是利用最锋利的“激光手术刀”来完成,这种飞秒激光正是利用啁啾脉冲放大技术来实现。它照射到材料后对焦点周围的损伤很小,于是像切削角膜这种精准度极高的任务,用飞秒激光就能保证切割面平整光滑,决定着手术后患者的视力情况。

(长江日报记者施政)



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