2018 年诺贝尔物理学奖得主在激光领域做出了哪些贡献？他们的研究在我们生活中有什么实际应用？
亚瑟·阿什金：用光“镊子”捕捉微观世界
阿什金教授的贡献，可以形象地比喻为他发明了一种用“光的手”来操控微小物体的工具——光镊（Optical Tweezers）。在 2018 年之前，他就因为这一开创性的工作获得了不少赞誉，但诺贝尔奖的肯定，更是让他实至名归。
想象一下，我们日常使用的激光笔发出的光束，虽然我们看不见它在推动物体，但实际上光是有压力的，称为“辐射压力”。阿什金教授很早就意识到了这一点，并发现可以通过巧妙地聚焦激光束，利用光的压力来“抓住”并移动非常微小的粒子，比如原子、分子、病毒，甚至是细胞。
他的突破在于，他不仅能够用光“推”粒子，还能用光“拉”粒子，并且能够稳定地将它们“夹”在光束的焦点处。这就像你在黑暗中用一束手电筒光线，不仅能把一个很小的灰尘颗粒推开，还能把它牢牢地吸附在光束的中心，甚至能控制它的移动方向。
阿什金教授研究的实际应用：
生物医学领域： 这绝对是光镊应用最广泛、也最令人兴奋的领域。
细胞研究与操纵： 科学家们可以用光镊来精确地抓取单个细胞，研究细胞膜的力学性质，或者将不同的细胞“排列”在一起，观察它们之间的相互作用，这对于理解疾病发生机制，比如癌症的转移，以及开发新的治疗方法至关重要。
DNA和蛋白质研究： 光镊可以用来测量单个 DNA 分子或蛋白质分子受力时的形变，甚至可以模拟生物体内酶是如何工作的。这就像在微观尺度上解剖生命的基本单元，帮助我们理解生命的奥秘，并设计出更有效的药物。
单分子检测： 通过光镊，我们可以精确地测量单个分子之间的相互作用力，这比传统的化学分析方法要灵敏得多，能够帮助我们发现和诊断一些极早期出现的疾病标志物。
微流控芯片： 光镊可以帮助将细胞或微粒子精确地放入微流控芯片的特定位置，为疾病诊断和药物筛选提供更高效的平台。
物理学基础研究：
冷却和捕获原子： 光镊技术是实现原子冷却和捕获的关键技术之一，这使得科学家能够研究处于极低温度下的原子行为，为量子计算和量子通信等前沿技术奠定了基础。
测量微小力： 光镊可以作为一种极其灵敏的“力传感器”，测量纳米级别的微小作用力，这对于探索材料科学和纳米技术的物理原理非常重要。
热拉尔·穆鲁和唐娜·斯特里克兰：创造“啁啾脉冲放大”的超短强激光
穆鲁教授和斯特里克兰博士（当时还是他的博士生）的贡献，则开启了超短强激光（Ultrafast Intense Lasers）的新纪元。他们共同发明的啁啾脉冲放大（Chirped Pulse Amplification, CPA）技术，彻底改变了我们制造和使用高强度激光的方式。
在他们之前，科学家们想要制造非常强的激光脉冲，但有一个巨大的瓶颈：在放大激光能量的过程中，随着能量的增加，激光脉冲会变得非常不稳定，甚至会损坏放大器本身的材料。这就好比你想让一辆车开得越来越快，但到了某个速度就会散架。
穆鲁教授和斯特里克兰博士提出的 CPA 技术，巧妙地解决了这个问题。他们的核心思想是：
1. “拉长”脉冲： 首先，他们用一种叫做“啁啾”的原理，把一个非常短的激光脉冲“拉长”成一个较长的脉冲，就像把一个紧绷的弹簧慢慢释放开。拉长后的脉冲，能量密度大大降低，也就不会损坏放大器了。
2. 安全地放大： 然后，在这个“拉长”的脉冲上进行高能量的放大，因为能量密度低，所以可以放心地将激光能量放大到前所未有的水平。
3. “压缩”脉冲： 最后，再将这个被放大了的、但仍然是“拉长”的脉冲，用一种叫做“压缩器”的装置，迅速地“收紧”回来，重新变成一个极短的脉冲，但此时的能量已经非常高了。
这个过程就像是先给一个很强的冲击波“降温”然后储存起来，再在需要的时候瞬间释放。
CPA 技术的实际应用：
CPA 技术带来的超短强激光，其能量密度和精确度是前所未有的，这使得许多以前不敢想象的应用成为可能：
眼科手术（例如 LASIK）： 这可能是我们最熟悉的 CPA 技术应用了。在进行近视矫正手术（如 LASIK）时，医生会使用由 CPA 技术驱动的飞秒激光（百万分之一秒的激光脉冲）来精确地重塑角膜。这种激光脉冲非常短暂且能量集中，可以精确地移除角膜组织的微小部分，对周围组织损伤极小，愈合速度快，大大提高了手术的安全性和精确度。
材料加工与制造：
精密加工： CPA 激光可以用来切割、钻孔和打磨各种材料，包括金属、陶瓷、玻璃甚至钻石，而且精度极高，热影响区非常小。这在微电子制造、航空航天和精密仪器制造等领域至关重要。
微纳加工： 这种技术使得在材料表面制造极其精细的图案成为可能，这是开发新型电子器件、传感器和生物芯片的关键。
科学研究：
超快现象研究： CPA 激光可以用来“拍摄”化学反应或物理过程的瞬间画面，帮助科学家们研究原子和分子在超快时间尺度上的运动，理解化学键的形成与断裂，以及材料在极端条件下的变化。
粒子加速： 在一些先进的粒子加速器研究中，CPA 激光可以用来产生和加速电子，为基础物理研究提供新的工具。
医学成像与治疗：
先进成像技术： CPA 激光可以用于开发更先进的医学成像技术，比如多光子显微镜，可以更深入地观察生物组织内部的结构和功能。
肿瘤治疗： 还在研究利用超短强激光进行精准的肿瘤切割和治疗，希望能减少对健康组织的损伤。
总结：
阿什金教授的光镊技术，让我们能够以前所未有的方式“看到”并“触摸”微观世界，深刻地改变了我们对生命和物质的理解，并在生物医学、基础物理等领域开辟了广阔的应用前景。
而穆鲁教授和斯特里克兰博士的 CPA 技术，则赋予了我们创造强大而精准的激光脉冲的能力，这不仅让眼科手术变得更加安全高效，也在材料加工、科学研究等领域催生了无数革命性的进步。
这两项看似独立的激光技术，共同代表了人类在操控光、理解光和应用光方面的巨大飞跃，它们的影响力早已超越了实验室，实实在在地提升着我们的生活质量，并在不断推动着科学和技术的边界前进。
网友意见
2018年的诺贝尔物理学奖正式公布了。出乎绝大部分机构和媒体的预料，今年的诺贝尔物理学奖授予了阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）、热拉尔·穆鲁（Gérard Mourou）和唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland），以表彰他们在激光物理学领域的奠基性工作。
特别值得一提的是，唐娜·斯特里克兰Donna Strickland是继1903年居里夫人（对天然放射性现象的研究）和1963年玛丽亚·格佩特-梅耶（发现原子核的壳层结构）之后，第三位获得诺贝尔物理学奖的女性科学家。
尽管三者的获奖同属于激光物理学这一大的学科领域，但他们获奖的工作却并不相同。阿瑟·阿什金因为发明了光镊技术获得一半的奖项（½），而热拉尔·穆鲁和唐娜·斯特里克兰则因为发明了产生高强度超短激光脉冲的啁啾脉冲放大技术（CPA）共享另一半的奖项（每人¼）。
光镊是一种通过高度聚焦激光束产生力（量级通常为pN级，即10的负12次方牛顿）移动微小它可以用于移动细胞或病毒颗粒，把细胞捏成各种形状，或者冷却原子。由于光镊的力可以精准地直接作用于细胞甚至更小的目标，光镊在生物学、医药学等领域的应用越来越广泛。
过去的几年中，很多其他的研究人员都采用了Ashkin的方法并做进一步的优化。光镊让我们能够无需接触物体就能够对它们进行观测、反转、切断、推拉等操作，由此而产生了无数的应用。因此，在很多实验室中，光镊成为了研究例如单个蛋白质分子、分子马达、DNA或细胞内部活动等生物过程的标准仪器。光学全息成像就是光镊的最新应用之一，这项技术同时使用上千台光镊，能够完成从受感染的血细胞中分离出健康的血细胞等任务，可以被广泛应用于攻克疟疾。
而啁啾脉冲放大技术（CPA）是用来产生高强度超短激光脉冲的有力工具。它通过一系列复杂的方法，在避免破坏放大介质的前提下，产生超强、超短的脉冲激光。CPA技术首先在时间域上将脉冲展宽降低功率极值，而不是直接放大脉冲光。当更多的激光被收集并压缩在同一个位置的时候，激光脉冲就被放大了——相应的功率也就变得非常强。
CPA技术在激光物理学领域掀起了革命。它已经成为后来所有高强度激光的标准，并且其在物理、化学、药学等领域的应用在相应的领域都开启了一个全新的时代。现在人们在实验室内能制造的最短、最强的激光脉冲依然是基于这个技术。正如我所的研究员曹则贤老师所说，“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，并且由于其可以把单脉冲时域降至10的负18次方秒左右，这样的时间分辨本领开启了研究原子和亚原子层面超快过程的可能，其对基础物理的影响是不可估量的”。
尽管根据此前的预测来看，此次的诺奖有稍许“爆冷”的意味，但就他们获奖工作本身而言，这三位优秀的科学家获得诺奖可以说是非常实至名归的。我们对他们的获奖表示祝贺！
（文中图片均来自于诺贝尔奖官网，部分内容参考自诺奖官方通稿、维基百科以及曹则贤老师的企鹅问答）
瑞典皇家科学院决定授予2018年诺贝尔物理学奖“用于激光物理领域的突破性发明”
将一半授予Arthur Ashkin“用于光学镊子及其在生物系统中的应用”
另一半授予Gérard Mourou和Donna Strickland，“为他们生成高强度，超短光脉冲的方法”。
今年的诺贝尔奖发明已经彻底改变了激光物理学，使得我们以新的眼光看待极小的物体和令人难以置信的快速过程，而先进的精密仪器开辟了更多的研究领域和众多工业和医疗应用。
亚瑟·阿什金（Arthur Ashkin）发明了光学镊子，用激光束手指抓住粒子，原子，病毒和其他活细胞。这个新工具让Ashkin实现了科幻小说的梦想——利用光的辐射压力来移动物体。他成功地获得了激光，将小颗粒推向光束的中心，并将它们固定在那里。已经发明了光学镊子。 1987年，当Ashkin使用镊子捕获活细菌而不伤害它们时，取得了重大突破。他立即开始研究生物系统，光学镊子现在被广泛用于研究生命机器。
热拉尔·穆鲁（Gérard Mourou）和唐纳·斯特里克兰（Donna Strickland）为人类创造的最短和最激烈的激光脉冲铺平了道路。他们的革命文章于1985年出版，是斯特里克兰博士论文的基础。通过巧妙的方法，他们成功地创建了超短的高强度激光脉冲，而不会破坏增强材料。 首先，他们及时拉伸激光脉冲以降低其峰值功率，然后放大它们，最后压缩它们。 如果脉冲在时间上被压缩并变得更短，那么更多的光被聚集在同一个微小空间中——脉冲的强度急剧增加。
2018年诺贝尔物理学奖获得者：Arthur Ashkin
亚瑟·阿什金，于1922年9月2日生于纽约的布鲁克林，是美国科学家，曾在贝尔实验室和朗讯科技公司工作过。他在20世纪60年代后期开始了用激光操纵微粒的工作，这导致了1986年光学镊子的发明。他还开创了光学俘获过程，最终用于操纵原子，分子和生物细胞。光的辐射压力可以分解为光学梯度和散射力。
阿什金被许多人认为是光学镊子领域之父。除了光学镊子，阿什金还因其在光纤折射，二次谐波产生和光纤非线性光学方面的研究而闻名。阿什金的工作构成了朱棣文在冷却和捕获原子方面的工作的基础，朱棣文获得1997年诺贝尔物理学奖。
他在哥伦比亚大学完成了物理学位课程，然后就读于康奈尔大学。他在康奈尔大学获得博士学位，然后在Sidney Millman的要求和推荐下前往贝尔实验室工作。此前，Millman先生是阿什金在哥伦比亚大学的主管。在1960年至1961年的贝尔实验室，阿什金开始在微波领域工作，随后转向激光研究。
阿什金是美国光学学会（OSA），美国物理学会（APS）和电气和电子工程师协会（IEEE）的会士。1992年，他从贝尔实验室退休，经过40年的职业生涯，在许多实验物理领域做出了贡献。多年来，他撰写了许多研究论文，拥有47项专利。他曾获得2003年约瑟夫·基思利测量科学进展奖和2004年哈维奖。他于1984年当选为国家工程院，1996年当选为美国国家科学院院士。
2018年诺贝尔物理学奖获得者：Gérard Mourou
2018年诺贝尔物理学奖获得者：Donna Strickland
热拉尔·穆鲁 唐纳·斯特里克兰
热拉尔·穆鲁是法国电气工程和激光领域的先驱。
穆鲁曾在ENSTA（法国帕莱索）担任应用实验室主任，并且是巴黎综合理工大学的教授。他在1990年任密歇根大学超快光学中心（CUOS）的创始主任。
唐纳·斯特里克兰（Donna Strickland）教授长期从事强激光与物质非线性相互作用、非线性光学以及超短超强激光系统的研究，她在美国罗彻斯特大学获得博士学位，导师是热拉尔·穆鲁教授。
和导师一起，斯特里克兰在博士期间发明了啁啾脉冲放大技术，该技术已经普遍被应用于超强超短脉冲激光系统中。
斯特里克兰曾是加拿大国家研究中心的研究助理，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家和普林斯顿大学技术委员会委员。斯特里克兰于1997年进入加拿大滑铁卢大学物理系，她曾获得过隆研究学者奖、科特雷尔学者奖和总理杰出研究奖，她现在是美国光学学会的会士并曾于2013年度担任美国光学学会主席。
斯特里克兰是一位自称为“激光运动员”的人。她的研究领域受到尊敬，但竞争激烈，她的研究内容关乎谁能得到“最短的脉冲，最高的能量，最高的平均功率”。
斯特里克兰因为在20多年前和博士生导师热拉尔·穆鲁一同发展出“啁啾调频脉冲放大”（CPA）而闻名于世。激光研究仍然让热拉尔·穆鲁激动。她回忆起她第一次参观激光实验室时，认为激光的颜色就像圣诞树。 “研究激光的一部分乐趣就在于与五颜六色的激光一起玩耍”她笑着说。
斯特里克兰也享受激烈竞争带来的快感，并努力追求用最短的激光脉冲，携带最大的冲击力。
她说的“短”，是指飞秒维度的时间：“在这个极短的时间里，光还走不到人类头发丝那么细的距离。”
2011年时，在加拿大光子创新研究所（Canadian Institute for Photonic Innovations）的资助下，斯特里克兰正在与一群研究生和本科生一起开发高强度中红外激光。这种工具可用于光谱学。她正研究的另一种激光，可以用作分子物理学家捕捉分子反应图像的工具，“就像用频闪仪观看马跳一样。”激光也能用于纳米技术。
由于斯特里克兰“对超快激光和光学科学的开创性贡献，特别是啁啾调频脉冲放大和超快非线性光学”，斯特里克兰最近被任命为美国光学学会会员。 CPA技术已被用于各种领域，如微机械加工和眼科手术。
参考资料
https://en.wikipedia.org/wiki/Arthur_Ashkin
https://en.wikipedia.org/wiki/G%C3%A9rard_Mourou
https://old.nobelprize.org/phy-press.pdf?_ga=2.128626312.582989663.1538389093-745767228.1538059500
http://www.yidianzixun.com/09MT15hi
https://uwaterloo.ca/news/news/university-waterloo-marks-50th-anniversary-laser-public-lecture
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