【2018年諾貝爾物理學獎】劃開時代的雷射物理工具

今年的物理獎表揚了得主們在雷射物理領域的貢獻。所謂雷射，便是「通過受激輻射產生的光放大」，這種密度高的窄小光束，可以在極小的範圍內以高能量切割、鑽孔……。不但可用於各式手術，甚至是各項娛樂燈光秀，可說是改變了我們的生活。　

來自美國的得主 Arthur Ashkin 得獎的理由是發明了光鉗 (Optical Tweezers) 與其在生物系統上的應用。什麼是光鉗呢？它是一種通過高度聚焦的雷射光束可以移動極~微小物體的裝置。（能量量級通常為皮牛頓級）

這種技術可以用於移動細胞或病毒顆粒，把細胞捏成各種形狀，或者冷卻原子。由於光鉗可以精準地直接作用於細胞甚至更小的目標，在光鉗生物學方面的應用越來越廣泛，比如在對的時間、對的控制下，自動化地連結不同的細胞，去製造新的組織和器官，它可以用來研究和操作DNA、蛋白質、酶甚至是單個分子。

光鉗 (Optical Tweezers)  source：Nobel Prize@Twitter

至於另一組得獎者──來自法國的 Gérard Mourou 以及有史以來第三位獲得物理獎的女性得主 Donna Strickland 則是在光纖雷射啁啾放大系統 (Chirped Pulse Amplification, CPA) 方面有卓越貢獻。（在這邊一定要多說一下 Donna Strickland 有多厲害 (?)，她這次獲獎的研究基礎是她的博士論文！）

CPA 系統突破了過去的瓶頸、增強了雷射脈衝，讓它的峰率得以指數成長。使得雷射可以應用的範圍更加廣泛，包括目前在醫療與工業已經相對常見應用在精密雷射手術如眼科手術、除斑與精密材料切刻。

光纖雷射啁啾放大系統 (Chirped Pulse Amplification, CPA)  source：Nobel Prize@Twitter

泛科小教室~：光鉗原理

雷射光為同方向性的光，透過透鏡聚焦後會產生類似腰身的東西，而這腰身使得粒子受到光子撞擊的方向不再是同方向。

source：Wikipedia

左圖表示當雷射光的光子撞擊到微粒時，左邊與右邊的光子會進入微粒，並產生偏折與變慢；變慢表示動量下降，這些光子損失的動量會給微粒，因此造成移動。而匯聚過的雷射光聚有腰身，因此原本的1號光會跑到中間線的另一邊，對微粒造成的力會是前面的相反，這樣粒子會來回震盪，最後停留在腰身點上。

簡單的說就是，透過透鏡會聚的雷射光打到微粒上時會前進一下、通過腰身後會得到一個反方向的力、然後停在固定的位置上，因此可以將一個微粒擺在固定位置；這種感覺就是將一道有腰身的雷射光變成一條纏在微粒上的彈簧，最終彈簧停止運動後，會停在腰身那個點上，這就是「光鉗原理」。