2018诺贝尔物理学奖解读 他们把光制成最精准的工具

科研圈
2018-10-03

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科研圈2018-10-03

2018年10月2日,北京时间17时45分许,2018诺贝尔物理学奖公布:美国物理学家阿瑟·阿斯金(Arthur Ashkin)因发明“光学镊子”(optical tweezers)及其在生物系统中的应用而获得殊荣;而法国学者热拉尔·穆鲁(Gérard Mourou)和加拿大学者唐娜·斯特里克兰(Donna Strickland)由于研发出制造高强度、超短光脉冲的方法分享了余下的荣誉。

2018年诺贝尔物理学奖得主:Arthur Ashkin, Gerard Mourou, Donna Strickland.

阿瑟·阿斯金(Arthur Ashkin),美国光学学会(OSA,Optical Society of America)名誉成员,曾在贝尔实验室和朗讯科技公司(Lucent Technologies)任职。他在20世纪60年代后期开始了用激光操纵微粒的工作,这导致了1986年光学镊子的发明。他还开创了光学俘获过程,最终用于操纵原子,分子和生物细胞。

阿瑟·阿斯金被认为是激光辐射压力之父,他在这一领域的工作包括光学俘获和用光学梯度力操纵微小介电粒子。他将这些研究延伸应用到细菌、病毒和细胞上。用激光使物体保持一定位置的技术被称为光学镊子(optical tweezers),阿斯金利用这一技术探索了细胞内部,调整其内部结构,并为理解人体正常和疾病状态提供了新的思路。冷却和俘获原子的技术也被延伸应用到基础科学领域,例如在原子蒸汽中实现玻色-爱因斯坦凝聚态。

阿瑟·阿斯金生于1922年9月2 日,1947年于哥伦比亚大学获得物理学学士学位,1952年于康奈尔大学取得核物理博士学位。1942年到1945年任职于哥伦比亚辐射实验室,1952年到1991年任职于AT&T贝尔实验室。在贝尔实验室工作期间,阿瑟·阿斯金研究微波、非线形光学和光学俘获。他和同事最先观察到了连续波段激光的谐波震荡、参量放大,并发现了光折变效应,开创了光学纤维中的非线性光学领域。

获奖理由:光学镊子的开发及其在生物系统中的应用

热拉尔·穆鲁(Gérard Mourou),1944年6月22日生于法国,是法国电气工程和激光领域的先驱,他与他的学生唐娜·斯特里克兰(Donna Strickland)一起,共同发明了一种称为“啁啾脉冲放大”(Chirped Pulse Amplification,CPA)的技术。这种技术使得短激光脉冲(大约10-15秒)能以极高的峰值功率(相当于太瓦,1012瓦)进行应用。这一技术彻底改变了激光科学领域,在物理学的不同分支中发展了新的应用,包括核物理和粒子物理学;同时也适用于医学领域,在眼睛和白内障的屈光手术方面同样取得了新的进展。

热拉尔·穆鲁是密歇根大学(University of Michigan)的名誉教授,是该大学超快光学科学中心(Center for Ultrafast Optical Science,CUOS)的创始主任。在全球拥有超过27个实验室。他于2012年在欧洲启动了极光基础设施(Extreme Light Infrastructure,ELI),这一设施的三大支柱位于捷克共和国、匈牙利和罗马尼亚。与此同时,他在法国建立了Apollon项目,该项目位于高原德萨克莱(plateau de Saclay)。 ELI和Apollon项目代表了世界上最大的激光设施。

唐娜·斯特里克兰(Donna Strickland),加拿大滑铁卢大学副教授,她1981年在安大略省汉密尔顿麦克马斯特大学工程物理学士,1989年在纽约罗切斯特罗彻斯特大学物理学(光学)博士。她的超快激光组开发了用于非线性光学研究的高强度激光系统。她正在研究多频拉曼生成(MRG)的非线性光学技术、用于中红外发生的双色光纤激光系统,以及自聚焦和多光子电离对晶状体内微腔泡形成的作用。唐娜·斯特里克兰也是第三位获得诺贝尔物理学奖的女科学家。

获奖理由:为人类创造的最短最强的激光脉冲铺平了道路。他们开发的技术开辟了新的研究领域,并带来了广泛的工业和医疗应用。

今年的诺贝尔物理学奖的授予“由光制成的工具”,旨在表彰激光物理学的两项发明,中一个涉及连续的单色激光器,而另一个与脉冲激光器有关。三位获奖者的研究与发明已经彻底改变了激光物理学,得益于他们的贡献,人类现在正以新的“眼光”,观察极小的物体和令人难以置信的快速过程。由此诞生对的先进的精密仪器,开辟了多个全新的研究领域,造福了众多工业和医疗应用。

第一篇描述红外或光学微波激射器(maser)的论文在60年前(1958年8月26日)发表于《物理评论》,论文由彼时就职于贝尔电话公司新泽西州实验室的阿瑟·肖洛(Arthur L. Schawlow)和查尔斯·道恩斯(Charles H. Townes)撰写。论文的发表,意味着微波激射器向红外和光学领域的延伸,为如何构建光学微波激射器构绘了蓝图;西奥多·麦曼(Theodor H. Maiman)在1960年首次展示了相干激发光发射。肖洛于1961年在《科学美国人》杂志上发表的文章,使得光学微波激射器为公众所熟知。

光学微波激射器(optical maser)这个名字最初出现于技术文献,同样也出现于Schawlow的科普文章。然而,当瑞典皇家科学院颁发1964年的诺贝尔物理学奖时,“光学激光器”已被“激光”(laser)(被辐射激发而被放大增强的光)所取代。

激光物理领域及其应用在首次发现后迅速发展。激光具有独特的性质,如具有相干性、方向性,单色性好、强度高,这些在科学和日常生活中都有着非常重要的作用。

很明显,在激光出现的早期,研究者的驱动力是希望得到一种装置,能产生与无线电波相同纯度的光波。第一批激光器只能在短时间内产生激光脉冲,但是我们要求它可以连续运行。连续波、频率尖锐激光器的发展是高分辨激光光谱学的先决条件,相关的研究已经获得了几个物理学诺贝尔奖。

激光物理学的另一个重要发展是短脉冲光的产生,特别是激光Q开关(巨脉冲发生器)和锁模技术的发明,这使得制造一系列重复、密集的短激光脉冲成为可能。染料激光器的发展,更为产生越来越短的光脉冲开辟了一个新的方向。为获得短光脉冲,使其持续时间与分子中原子运动的时间尺度相匹配,创造了全新的化学研究领域和实时研究化学反应过渡态的可能性,这些突破已在1999年荣获诺贝尔化学奖。

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