杨先碧

说到激光，想必很多同学应该不会太陌生。近视激光手术、激光美容等，大大方便了人们的生活。它还被称为“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”。自从1960年激光被发明后，科学家就在不断提升其性能，开发其新功能，取得了一个又一个令人瞩目的成果。美国科学家阿瑟.阿什金、法国科学家热拉尔.穆鲁以及加拿大科学家唐娜.斯特里克兰就是激光研究领域的佼佼者，他们因善于驾驭激光而获得了2018年诺贝尔物理学奖。

把激光打造成镊子

抓取单个细胞、细菌、分子等尺寸很小的东西，是十分困难的，难得超出我们的想象。这些小东西小到必须依赖电子显微镜才能看到，更令人烦恼的是，这些小东西并不是乖乖地待在那里等你去抓取，而是不停地在一个小范围内四处乱窜。所以，科学家很难抓住它们，也就难以对它们做较为深入的研究。

1987年，阿什金发现了一种发法，可以让那些并不安分守已的小家伙束手就擒。这种方法就是把激光做成镊子，科学家称之为光镊。需要说明的是，光镊只是一个抓取工具，它本身没有显微作用。也就是说，光镊实际上是安装在微镜上的一个辅助研究工具。

虽然名为光镊，但是和我们平常使用的镊子相比，无论是外表还是使用原理，都大不相同。实际上，光镊并非用两道光来夹小东西，而是用一道强度适宜的激光束形成一个“陷阱”。如果以激光束形成光场的中心划定一个几微米方圆的区域，你将会观察到一旦小物体进入这个区域，就会自动迅速地坠落到光场的中心，就像猎物坠入陷阱一样。因此，科学家又把其中把持物体的区域也称为光阱，相应的技术称作光学捕捉。光镊细胞、分子等关在这个陷阱里， 让它们不能乱动。此时，我们就可以对这些小东西进行更进—步的研究了。

发明光镊之后，阿什金用它捕捉到了一个活的细菌，而且没有对這个细菌造成任何伤害。之后，他就可以固定这个细菌进行细菌内的研究，也可以移动细菌到指定位置，以便研究细菌和生活环境的关系。在没有光镊之前，科学家很难固定细胞、细菌、病毒等微小的“活物”，通常得“弄死”（灭杀）它们后再进行研究。有了光镊，科学家可以操纵和移动分子、病毒和其他活细胞，还有显微世界中的其他小东西。

有了光镊，就能够抓取分子，让它们去哪儿就去哪儿，并对它们展开操作。如今，在许多生物或医学实验室中，光镊已经是标配的仪器设备。除了生物学，光镊在物理学、化学、材料学等领域也有广泛的应用。

让激光变快、变强

现在，医院用激光做手术已不罕见。比如，一些近视患者会去医院做激光手术，对角膜进行修正。然而，激光手术用的激光并非由激光器发出来的普通激光，而是经过处理后的激光。直接用普通激光做手术，失败率会非常高，而且患者感受的痛苦会很大。因为普通激光功率相对较小、脉冲波长相对较大，对角膜的切割精度较低、切割范围过大，甚至可能误伤角膜周围的眼组织。啁啾脉冲放大技术出现之后，使得激光眼科手术成为可能。

1985年，穆鲁和斯特里克兰发现了一种方法，可以让激光的脉冲波长缩短，从而让激光的功率增强。他们把这种方法命名为啁啾脉冲放大。在初期的通信研究中，当脉冲信号变到音频时，会发出一种声吉，听起来像鸟叫的啁啾声，故名“啁啾”。穆鲁等人发明的啁啾脉冲放大技术，就是让激光的脉冲发生快速的变化。

激光科学家也和运动员一样，追求“更快、更强”。激光自1960年问世后，短短5年，激光器功率大增。但从那之后的20年里，激光器的功率徘徊不前，因为过大的功率会将作为激光器核心部件的放大元件烧毁，导致整台仪器报废。众多的科学家一味地想提升功率，很少有人会逆向思维要是先缩小激光功率，会怎样呢？

与众不同的是，穆鲁和斯特里克兰采用了一种欲擒故纵的方法。他们本意是要放大激光的功率，以获得更强的激光。但是，这个大家都知道的思路并没有带来理想中的效果。当时，这个实验小组中的一名研究助理威廉姆斯提供了一个新的思路：是否可以先缩小再放大呢？后来的研究证明，这个思路是正确的。当时，正在攻读博士学位的斯特里克兰在导师穆鲁的指导下，顺利地完成了这个实验，而威廉姆斯因为没有参与实验而与诺贝尔奖无缘。 林德罗特院士评价说：“这项研究涉及如何让激光变得更强。有了强大的激光，我们可以做很多实际的事情。比如，精准、低成本地为粒子加速;强激光带来的短脉冲，又可帮助我们以简单且尽可能不损伤眼球的方式来矫正视力。”超强激光在核物理、粒子物理等物理学分支中得到广泛应用，利用这项技术，物理学家制造出超高速相机，利用飞砂量级的脉冲对原子和分子进行拍照，得以更好地洞察微观世界中的秘密。

知识链接

光镊对操作对象的要求很宽泛，虽然它只能在微观世界里工作，但体形在几十纳米到几十微米的微粒基本都是它的操纵对象。靠着这个优势，在微观世界里，光镊可以做很多工作。

改变微粒状态。比如，让不同的细胞聚在—起或者在细胞中注入其他微粒。

“监测”微粒行动。比如，测量一种蛋白质在微管上移动的距离，进而算出它运动过程中消耗的能量。

做微观世界的“建造师”。比如把一些纳米级生物器件组装在一起。