2499
需用时 04:59
1
6
4位科学家热评诺奖:激光物理学因何摘得桂冠?

|· 本文来自“我是科学家”·|

2018年10月2日,北京时间17时30分,诺贝尔物理学奖新鲜出炉,美国科学家阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)、法国科学家杰哈·莫罗(Gérard Mourou)与加拿大科学家多娜·斯崔克兰(Donna Strickland)获此殊荣,三位科学家在激光物理学领域作出了开创性的贡献。

 

 

这三位科学家为何会获得今年的诺奖?他们的研究有哪些应用价值?来看看科学家们怎么说:

 

 

诺贝尔奖一般会颁发给某一领域的开创者或对这一领域做出突出贡献的科学家。今年诺奖颁发给激光物理领域,得益于激光对我们现代社会产生的深远影响——例如当前的激光精密加工、激光打印机、激光显示等等。

当前激光物理领域的两个发展方向,一个是开发超强超短激光,另一个是利用激光对物质进行测量和精准调控。目前,飞秒激光的技术已经商业化并且趋向成熟,这主要得益于莫罗和斯崔克兰在1985年提出的啁啾脉冲放大技术,可以得到飞秒脉宽的超强激光;阿什金利用激光辐射光压对原子、分子这样的细小颗粒进行精准调控,把激光的应用带到了一个新的高度,所以他们获奖是实至名归。

阿什金主要贡献在于发明了光镊技术来对原子、分子,以及病毒和活体生物细胞进行抓取和操纵;莫罗和斯崔克兰的贡献在于凋瞅脉冲放大技术的发明,使得飞秒超快超强激光成为现实。而飞秒超快超强激光不仅在现在的工业和医疗领域有广泛应用,也促进了物理学领域中超快光谱学、超快成像的飞速发展。

 

 

阿什金发明的光镊技术让我们可以对原子分子甚至细胞进行操纵,使我们对碰撞化学反应进行原子层面进行调控提供路径,另一方面,把分子或原子精确的囚禁在特定区域,然后对它们进行精确测量提供了技术帮助,除此之外,利用激光对活体细胞的操纵也对生物学和医学领域提供很多全新的技术。

 

阿什金造出的光阱阿什金造出的光阱

 

莫罗和斯崔克兰发明的啁啾脉冲放大技术技术直接导致超短超强飞秒激光的发明。飞秒激光一方面在医学领域例如激光切除术上有很大应用,在工业领域飞秒精密加工领域也有突出应用,另一方面在超快光学领域有广泛应用,让研究者可以观测飞秒时间分辨的动力学过程,也促进着飞秒激光下一代基于高次谐波的阿秒激光的发展以及强场物理领域的发展。
 

 

这次三位科学家因这两项光学技术获得诺贝尔物理奖,可以说是实至名归,令人信服。

激光物理和激光技术一直是诺贝尔奖的富矿。自从激光被发明以来,已有一批成果获得诺奖。而这次莫罗和斯崔克兰发明的啁啾脉冲放大技术产生的高强度、超短激光脉冲不仅具有重要的工业和军事应用价值,还开启了研究原子和亚原子层面超快过程的可能,对基础物理的影响是不可估量的。阿什金发明的光镊子(Opitcal tweezer) 技术,也在颗粒物质、微纳米科学以及生物、医药等研究领域获得了广泛的应用。

 

光镊子使运用光来观察、转动、切割以及推拉成为可能。在许多实验室,激光镊子被用来研究生物过程,如蛋白质、分子马达、DNA或细胞内部的生命。

 

我国对激光物理和激光技术一直非常重视,这一方向是我国少数长期处于世界前沿的研究领域。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,中国科学院物理所研究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。

诺奖所表彰的物理学成果的诞生,既需要从社会方面来讲深厚科学土壤的培植,也需要从科学家个人来讲长期的艰苦努力。有鉴于此,第一位中国本土诺贝尔物理学奖得主的诞生端赖整个社会的努力,这需要我们的信心和耐心!

另外,本年度诺贝尔物理奖的一个亮点是有一位女物理学家获奖,这是诺贝尔物理奖历史上的第三位女性获奖者。此前有居里夫人因发现自发放射性而于1903年与其丈夫皮埃尔·居里分享了一半的诺奖,还有迈耶于1963年因发现原子核的壳层结构而与延森分享了一半的诺奖。

 

诺贝尔物理奖历史上的三位女性获奖者。左起:居里夫人、迈耶和多娜·斯崔克兰。诺贝尔物理奖历史上的三位女性获奖者。左起:居里夫人、迈耶和多娜·斯崔克兰。

 

 

物理学一直在不断地为人类提供观察世界、量度世界,并在其基础上认知世界并改变世界的各种原理,方法和手段。以激光为基础的光镊、飞秒脉冲等等技术,更是使得这一切在时间、空间、能量上不断逼近人类所能认知并掌控的极限,从而将现在和将来我们能够涉足的领域大为扩展,在生命科学,医学,化工领域,材料领域,都有巨大的推动作用。

 

莫罗和斯崔克兰因发明了啁啾脉冲放大(CPA)技术而分享了今年的诺贝尔物理学奖,该技术的发明促进了激光强度的快速提高,从短短几年从原来约GW的峰值功率提高了好几个数量级,也带来了强场物理、等离子体物理、加速物理、粒子物理等应用研究领域的一些革命性进展。由于CPA技术的重要性,莫罗教授之前也被提名过,所以我认为他们这次拿到诺贝尔物理学奖应该是实至名归。

 

啁啾脉冲放大技术(CPA)啁啾脉冲放大技术(CPA)

 

实际上他们的贡献不仅仅是发明了啁啾脉冲放大技术,使激光的强度得以大幅度提高,而且也开拓并推动了很多应用方面的工作——包括诸如强场物理、激光尾场加速、激光等离子体物理、激光聚变等领域的发展,让之前许多无法开展的极端物理研究变为可能,实现了许多前所未有的突破。

我一直从事超短脉冲激光技术,虽然CPA的论文一经发表就较早注意学习了,但直到听张杰教授讲起强场物理,才真正认识到CPA的重要意义,为此将从此前专注产生极短超快光脉冲的研究工作,延伸到超强激光技术的研究。

CPA技术从1985年到现在30多年的时间里,经历了持续不断的进展,至今仍然是人们获得更高强度激光最主要的技术,目前国际上已建成及正在建设的超快超强激光装置,绝大部分采用的是该技术。

欧盟规划中的未来国际上最强的激光装置——ELI装置,拟采用的技术也是CPA及脱胎于CPA的OPCPA技术,预期将产生200PW峰值功率的超强飞秒激光输出。这些装置建成后,可望得到近1024-25W/cm2超高强度,开展前所未有的物理研究,许多相对论下的物理问题及核爆及恒星中心才有的物理现象,也可以借助这样的激光得到答案。

现在的很多应用也得益于他们的研究发现,可以说很多涉及强激光的领域,如物理学上的粒子物理、高能物理、以及化学的某些领域等等都受益于这项技术,因而获得了很大的进展和突破。

中国在这一领域具有非常扎实的基础及国际领先的成果。

就在CPA技术发明后不几年,中科院西安光机所、天津大学等单位在侯洵院士领衔的“攀登计划”支持下,进行了该激光的研究。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,经过多年系统深入的研究,相继取得了突破世界纪录的结果。

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。中国科学家取得的相关成果,已在国际上形成重要影响,极大地提高了中国在该领域的国际地位。(采访:吴欧 编辑:小柒、麦芽杨)

The End

发布于2018-10-02, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

我的评论

环球科技观光团

环球科技观光团

pic