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2018诺贝尔物理奖兴咏

已有 1210 次阅读 2018-12-17 09:16 |系统分类:科普集锦| 2018诺贝尔物理奖, 激光, 光镊, CPA

Light brings us news of the universe.            

                     William H Bragg


七律2018诺贝尔物理学奖兴咏

陈晨星

激光物理竞精良,

甲子求新志拓疆。

巧镊擒纵纳米细,

微脉啁啾拍瓦强。

阿翁九轶穆爷健,

娜姐三传巾帼芳。

问鼎师徒信可范,

敢期我邦续华章。

注释也科普:

1、2018年诺贝尔物理奖授予美国物理学家亚瑟·阿什金Arthur Ashkin、法国物理学家热拉尔·穆罗Gérard Mourou以及加拿大物理学家多娜·斯崔克兰Donna Strickland,以表彰他们“在激光物理学领域的突破性发明贡献” 其中96岁高龄的阿什金老先生因对 “光镊及其在生物系统的应用”的贡献获得一半奖金,他同时也刷新了史上诺奖得主的最大年龄,惜因身体原因未能出席颁奖礼,由其子代领。穆罗和斯崔克兰师生二人因为发明“产生超强、超短光学脉冲的方法”分享另一半奖金。

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这不仅是一次堪称典范的师生获奖范例,同时也是时隔55年来又一位女性诺贝尔物理奖得主,之前仅有两位女物理学家获此殊荣,她们分别是1903年玛丽·居里Marie Curie获奖,和1963年玛丽亚·梅耶Maria Goeppert-Mayer。巧合的是斯崔克兰的博士论文就曾引用五十年前梅耶的博士论文,作为理论物理学家的梅耶在其论文中预言了多光子吸收跃迁的可能,但当时条件所限无法实验验证,正是激光物理的不断进步使之得以验证。正所谓“三传巾帼芳”。

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2、阿什金发明光镊,实现了他早年对光压利用的梦想。1970年前后他发现当激光束射向微米级微粒时,微粒会受到沿光线传播方向的推力(1015N飞牛级),光束中也会出现梯度力场,将微粒拉向最强处,形成“光阱”,并且一束会聚激光可以在三维方向上控制微粒,相当于实现了科幻小说中的激光束操控物体的场景,当然是对微米乃至纳米级的粒子进行捕获与操纵。这项技术对于生命科学等领域影响深远,比如直接抓取单个细胞、细菌、蛋白质分子等等,所以有“巧镊擒纵纳米细”之赞。

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3、1917年爱因斯坦提出原子受激辐射理论,为激光的诞生提供了最初的理论基础。1954年美国物理学家汤斯研制微波受激放大MASER理论与技术,其受激发射机理成为受激辐射光放大LASER理论的先导。1958年又与肖洛等人合作将成果推向光学波段,并最终导致激光的发明,这些重要合作者中还包括我国物理学家王天眷的杰出贡献。后来汤斯获1964年诺贝尔物理奖,这也是激光领域的第一枚诺贝尔奖牌。直至1960年梅曼的世界第一台红宝石激光器问世,距今近六十载,发展日新月异,开疆拓土。故称“甲子求新志拓疆”。

六十年代初的几年间新技术的不断涌现,功率已提升至109瓦(吉瓦)。但之后的20年似乎遇到了技术瓶颈,如果继续提升激光功率会产生严重非线性效应,甚至烧毁放大元件。而CPA技术就是在这样的背景下提出的。1985年,斯崔克兰在博士学习阶段,由导师穆罗指导的第一篇学术论文中提出的一种激光脉冲放大技术。正是这篇发表在名不见经传刊物上的短小论文,为实现更短和更强的激光脉冲打下基础,并在此后的二、三十年中为激光物理学带来革命性的变化。

啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification)即CPA技术。“啁啾”这个神来的翻译的源头似无从考证,译法可算贴切而雅致。其原意指鸟叫声,如诗人王维《黄雀痴》诗云:“到大啁啾解游颺,各自东西南北飞。”后在电子学、通信等领域中将脉冲传输时中心波长发生偏移的现象叫做“啁啾”。 CPA技术简单说就是把激光脉冲利用衍射光栅展宽拉长,再按不同频率的部分分别放大,最后再压缩聚合在一起,形成超强超短脉冲的过程。目前基本上所有的大功率激光器,都用到CPA放大技术。

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5、国内上海光机所的10PW(PW即拍瓦1015W)激光器近年来不断刷新着世界纪录。据报道即将在上海建成的100 拍瓦级激光器基于光参量啁啾脉冲放大法(OPCPA),预计于2024年可以投入研究使用。当然,如果在不断追求提升功率的同时,在激光领域的原创性基础理论贡献也有所突破,可以期待我国在激光领域能续写瑰丽华章。

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注:文中图片来自诺奖官网及国内新闻平台。




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1 李颖业

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