【2018年諾貝爾物理獎】雷射科學

撰文｜陳勁豪

諾貝爾獎委員會於10月2日公佈了2018年的諾貝爾物理學獎的得主，分別是美國貝爾實驗室的Arthur Ashkin，法國巴黎綜合理工學院（École Polytechnique）的Gérard Mourou與加拿大滑鐵盧大學的Donna Strickland，以表彰他們在雷射科學上的突破性貢獻。

2018年諾貝爾物理學獎一共分為兩部份。第一部份頒給了由Arthur Ashkin所發明的光學鑷子（又稱光鉗）與光學鑷子與在生物系統上的應用。第二部份由Mourou與Strickland分享，以表彰他們所發明的產生高強度超短光學脈衝的方法。

隔空遙控物體是魔術師常見的表演手法，也是科幻小說裡的常見題材。Ashkin在1987年的時候，發明了光學鑷子把這個想法化成了現實。他發現可以用雷射照在微小的物體上，例如微生物或細胞，透過控制雷射所產生的光壓來移動微小的物體而不會破壞被控制的物體。這個方法就像用鑷子捏住物體一樣，所以被稱為光學鑷子。

Ashkin一開始是將射照射在微米級(千分之一公釐)左右的塑膠小球上，發現他可以用雷射來移動小球。他又發現這些小球會被吸引到聚焦後的雷射的中心處。這其實就是光學鑷子的基本原理，用聚焦後的雷射照射在要控制的小球體上。雷射中的光子會使小球體受到光壓。此外，由於雷射的特性是中心部份的強度最高，然後往兩側逐漸降低，因此當雷射照射在小球體時，小球體的每個部份會因為各部位所被照射到的雷射強度的不同而受到不同大小的光壓。但是合起來的總效果會把小球體推向雷射中心強度最高的部份，並把小球體限制在該區域而使物體無法離開這個區域。因此可以藉由這個方法來控制並移動物體。

Ashkin發明了光學鑷子之後，很快的就把這個技術應用在生物系統上。過去對科學家來說，對細胞或更小的物體只能透過顯微鏡來觀察它們的行為。但是透過光學鑷子，科學家可以在不傷害生物體的情形下，研究它們的各種特性，例如研究DNA的力學性質等。而光學鑷子也可以應用在控制各種微機電結構上，成為許多科學研究中不可或缺的工具。

諾貝爾獎的另外兩位得主Mourou與Strickland所發明的產生高強度超短光學脈衝的方法，突破了技術上的限制，得以讓科學家產生超高強度的雷射脈衝。

當雷射在1960年代發明之後，科學家便開始想辦法來提昇雷射的強度。但是到了1980年代左右，科學家發現如果用放大器來提高雷射強度，隨著雷射強度的增加，便需要有更強的放大器，但是這時放大器可能會因為雷射的強度而燒毀。因此受限於放大器，雷射強度遲早會遇到瓶頸。

而Mourou與他當時的研究生Strickland兩人提出了一個叫做「唧頻脈衝放大術」（chirped pulse amplification,  CPA）的方法，巧妙的解決了這個問題。這個方法的概念簡單的說就是先把一個雷射脈衝拉長，以分散單位時間中的強度，然後把拉長後的脈衝放大，接著把這個放大後的拉長脈衝壓縮回原來的時間長度，這樣就可以有效的把原本的雷射脈衝的強度放大至少上千倍到百萬倍。

這個方法最特別的地方在於相當於把一個雷射脈衝分成很多小部份後再放大，所以不會讓放大器造成過大的負擔，直接跳過放大器性能的極限，而達到加強雷射脈衝的效果。這個新的方法可以讓物理學家繼續使用傳統的雷射放大器，但是可以得到更強力的雷射脈衝，例如高達十兆瓦的雷射。

透過這個新方法，科學家可以產生相當高強度的雷射脈衝，並可以透過這種高強度的雷射脈衝來研究許多物理現象。舉例來說，透過這個方法可以產生史上最強的電場，約是一公分一兆伏特。在這種極端情形下的物理現象，通常在自然界中只存在於黑洞或恆星的內部。透過高強度雷射所產生的電場，物理學家也得以研究這種極端情形下的新物理。

Ashkin，Mourou與Strickland的突破性技術以經成為許多科學研究者不可或缺的基本工具。三位科學家的得獎可說是實至名歸。

參考資料：

1. 2018 Nobel Prize Press Release
2. popular information
3. Scientific Background