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2018年诺贝尔物理学奖回顾：光镊和超短光脉冲


2018年诺贝尔物理学奖回顾：光镊和超短光脉冲


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2018年诺贝尔物理学奖回顾：光镊和超短光脉冲


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2018年诺贝尔物理学奖一分为二 ， 一半授予热拉尔·穆鲁(Gerard Moreau)和唐娜·斯特里克兰(Donna Strickland)以表彰他们产生高强度超短光脉冲的方法 ， 另一半授予阿瑟·阿斯金(Arthur Ashkan)以表彰他开发出所谓的光镊 。 今天 ， 我们主要介绍光镊 ， 而高强度超短光脉冲只作简单描述 。

光镊让我们先从光镊开始 。 如果你看过《星际迷航》 ， 那你可能会对里面的“牵引光束”有印象 。 而光镊就是一种“牵引光束” ， 只不过它适用于非常小的物体 。 例如DNA或蛋白质 ， 我们可以用光镊抓住它们 ， 并将它们移动到任何想要的地方 。
事实上 ， 它的原理非常简单 ， 只需要我们中学的物理概念：动量 。 当我们把一颗球扔向一面墙的时候 ， 球在与墙碰撞之后会反弹回来 。 虽然球的速度大小可能没什么变化 ， 但速度的方向调转了180度 ， 动量发生了巨大的改变 。 根据动量守恒 ， 墙动量的变化与球大小相等方向相反 。 假如这堵墙没有固定 ， 那么墙就会向反方向运动 。
现在 ， 把球换成光子 ， 把墙换成镜子 。 虽然光子没有静止质量 ， 但根据爱因斯坦的相对论 ， 光子也具有动量 。 当一束光照射到镜子发射回来的时候 ， 就像球与墙壁的例子 ， 它的动量发生改变 。 由于动量是守恒的 ， 镜子的动量必须朝反方向增加 ， 也就说说光正在推动镜子 。
如果我们把平面镜换成透镜 ， 我们也会看到光导致透镜移动的效果 。 如下图所示 ， 如果我只照亮透镜的右半部分 ， 然后这些光线会向左偏折 ， 根据动量守恒 ， 光会给透镜施加一个向右的力 ， 使它向右移动 。 如果我们用光照射整个透镜 ， 但右侧光比左侧还要亮 ， 同样透镜会往右边移动 。
【2018年诺贝尔物理学奖回顾：光镊和超短光脉冲】
现在 ， 我们用激光束照亮一个透镜 。 激光中心的强度非常强 ， 但沿着中心迅速减弱 。 如果透镜的中心刚好位于激光中心 ， 那么透镜那边的光是均匀的 ， 并不会出现移动 。 如果出现一点偏离 ， 那么透镜的一侧便比另一侧受到更强的光 ， 于是透镜就会向激光中心移动 ， 这就是光镊技术的基本原理 。

如果我们把类似透镜的微小“玻璃珠”与DNA或蛋白质等结合 ， 那么我们就能用光镊技术来移动它们 。
超短光脉冲产生高强度超短光脉冲的方法 ， 他们称为“啁啾脉冲放大”(CPA) 。 一根激光笔 ， 按下开关后激光会连续发出光束 。 假如这根激光笔的功率是1瓦 ， 它代表着激光每秒一焦耳的光能 。 假设我们采用相同的平均功率输出 ， 但以多个短脉冲将其分配出去：平均功率是相同的 ， 但是峰值功率要高得多 。 诺贝尔奖中提到的超短脉冲通常只有飞秒长 ， 那么脉冲期间的峰值或最大功率可以达到1000万亿瓦 。

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