2018年諾貝爾物理學獎

生活科學趣談

諾貝爾物理獎3學者共獲殊榮 55年來首見女性得主 – 中央社發布於2018年10月2日

先來了解什麼是光學捕捉(Optical trapping),下則影片使用波長650nm、功率250mW的脈衝雷射配合可調焦距透鏡,並使用麥克筆來製造煙塵微粒。影片中可以看出微粒在焦點處被捕捉而無法逃逸,並在調整焦距時隨之移動的有趣現象

當雷射光波長遠小於微粒的粒徑時,這種現象可以使用幾何光學(Geometrical optics, or ray optics)來解釋。光子在穿過微粒後,若行進方向改變就會有動量變化,而動量發生變化就有受力,這個力的反作用力就是光子推動微粒的力。下圖中的微粒在光軸上偏離焦點時,就會被光束拉回焦點,因此改變焦距就能移動微粒,這種裝置就稱為光學鑷子(Optical tweezers)

下則影片是利用光學鑷子來抓住微血管中流動的單一紅血球

美國物理學家阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)在1960年代後期開始研究使用雷射來操縱微觀粒子,於1986年發明光學鑷子並開發出光學捕捉方法,可用來操縱原子、分子和生物細胞。因為發明光學鑷子及其在生物領域的應用,從而獲得2018年諾貝爾物理學獎。

早期的雷射放大器有著峰值功率的限制,直到1985年法國物理學家穆胡(rard Mourou)和加拿大物理學家史垂克蘭(Donna Strickland)開發了 啁啾脈衝放大器技術,才得以打破這個強度限制。啁啾(Chirp)是指頻率隨時間而改變的信號,因為這種信號聽起來類似鳥鳴的啾聲,例如音樂的 滑音鳥叫蟲鳴動物叫聲 等。啁啾脈衝放大(Chirped pulse amplification,CPA )是一種用於放大超短脈衝雷射,使其可達到峰值功率千兆瓦(1015 watt)等級的技術,藉由脈衝在放大之前在先被拉伸,然後才進入增益介質中並被放大106倍,接著透過拉伸的反轉過程,將放大的雷射脈衝再壓縮回原始脈衝寬度,實現比CPA發明之前產生的數量級更高之峰值功率

目前世界上最高功率的脈衝雷射是位於美國的國家點火設施(National Ignition FacilityNIF)的5百兆驅動雷射,2014年2月,NIF用192支雷射,第一次實現了「燃料增益」,即燃料輸出的能量大於燃料吸收的能量,這是世界第一台能實現「燃料增益」的核融合裝置

2018年10月2日,穆胡(rard Mourou)和史垂克蘭(Donna Strickland)一起榮獲諾貝爾物理學獎,以表彰其在啁啾脈衝放大方面的共同工作,他們兩人平分900萬瑞典克朗的一半獎金;另一半則授予阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)發明的「用雷射抓住粒子、原子、病毒和其他活細胞的光學鑷子」。