96岁美国科学家成最高龄诺奖得主，并在三位获奖者中独得一半奖金。他发明的光镊为何被称为微观世界的“操作手”？
2018年诺贝尔物理学奖刚刚揭晓，美国科学家亚瑟·阿斯金（Arthur Ashkin）、法国科学家杰哈•莫罗（Gerard Mourou）和加拿大科学家唐娜·斯特里克兰（Donna Stricklan），以表彰他们在激光物理学的贡献。他们将获得金质奖章、证书，并分享900万瑞典克朗（约合人民币696万元）的奖金。
其中，来自加拿大的Donna Strickland为女性科学家，是诺贝尔物理学奖第三次授予女性。
超灵敏的激光束使得在各种材料中切割或钻洞成为可能，在生活中也有应用。每年都有数百万的眼科手术用最锋利的激光光束来进行。
阿斯金的贡献为“光学镊子及其在生物系统的应用”，莫罗和唐娜的贡献为“产生高密度超短光学脉冲的方法”。
其中阿斯金发明的光学镊子使用激光光束来抓取粒子，原子以及分子。它们可以用来检验和操控病毒，细菌和其他活细胞而不会对其造成损伤。至此，观察和操控生命体系的崭新工具被创造了出来。
莫罗和唐娜分享今年诺贝尔物理学奖的另外一半奖金。他们的工作为产生人类有史以来波长最短，能量最高的激光铺平了道路。他们所开创的技术开启了该领域科学研究的崭新纪元，并在工业与医药领域得到广泛应用。
三位获奖者简介
阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin），美国科学家，曾在贝尔实验室和朗讯科技公司工作他在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。
1970年，阿瑟·阿什金在贝尔实验室首次报告了微米级粒子的光学散射。随后，阿什金团队开创了今天所称的“光学镊子”：他将单束激光引入高数值孔径物镜形成了三维光学势阱,证明光学势阱可以无损伤地操纵活体物质。目前所说的光镊即是这样一种三维全光学势阱。
光学镊子在多个领域具有重要用途。1997年，朱棣文正是因为使用这项技术俘获原子而获得诺贝尔物理学奖。80年代后期，阿什金首次将该技术应用于生物学，利用它捕获单个烟草花叶病毒和大肠杆菌。
光学摄子被用于合成生物学，以构建人造细胞的组织样网络，并将合成膜融合在一起以启动生化反应。2003年，光学摄子技术应用于细胞分类领域，通过在样品区域上创建大的光强度图案，可以通过其固有的光学特性对细胞进行分类。光学摄子也被可以被用于探测细胞骨架，测量生物聚合物的粘弹性，并研究细胞运动性。2011年，提出了一种生物分子检测方法，并在2013年进行了实验证明。
热拉尔·穆鲁（Gérard Mourou），法国ENSTA极端光研究所所长和巴黎综合理工学院教授，作为国际激光研究与应用领域的顶尖学者，Gérard Mourou教授在超快激光、高速电子学及其应用等领域做出许多杰出贡献。他与Donna Strickland一起，共同发明了一种称为啁啾脉冲放大（CPA）技术。
热拉尔·穆鲁与他的学生斯特里克兰共同发明了啁啾脉冲放大技术（CPA）。这项技术使得短激光脉冲（10^-15秒）的扩大成为可能，使其达到极高的峰值功率，相当于太瓦（10^12瓦）。它使激光科学领域产生了空前的革新，该项技术发明可以应用在不同的分支，包括核物理与粒子物理学。其在相关的医学领域的应用，已经促进了白内障和眼屈光手术的发展。
唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland），加拿大滑铁卢大学教授，啁啾脉冲放大技术（Chirped Pulse Amplification, 简称CPA技术）发明者之一、美国光学学会前主席。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。
“首先，你必须认为这很疯狂，”斯特里克兰接到斯德哥尔摩的电话时说道。她表示，她并不知道只有两名女性在她面前获奖。“我们需要庆祝女性物理学家，因为我们在那里，并希望它能够及时开始以更快的速度前进。我很荣幸成为那些女性中的一员。”
唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland）发明了多频拉曼产生超短脉冲（Ultrashort pulse generation through multi-frequency Raman generation）斯特里克兰研究非线性光学技术的多频拉曼生成（MRG）。在MRG中，用两个具有与振动或转动频率相匹配的频率间隔的强泵浦分子气体，产生从红外到紫外的大量拉曼级。其所在的滑铁卢大学超快激光研究小组研制出一种高强度、双色钛宝石激光器，是研究MRG的理想光源。这种相干的非线性相互作用允许拉曼级被相控在一起以产生一系列非常短的脉冲，接近单个飞秒持续时间，这可以用来制作分子运动的“冻结框架”影像。
此次的三位诺贝尔物理学奖获奖者中，96岁高龄的美国科学家Arthur Ashkin因发明光镊及其在生物系统的应用独得一半奖金。他也因此成为年龄最高的诺奖得主。（此前最高龄获奖者是2007年经济学奖得主、90岁的俄罗斯裔美国经济学家Leonid Hurwicz）。那么光镊到底是什么？在实际中有哪些应用？
全息光镊—微观世界的操作“手”
文/姚保利（博士，中国科学院西安光学精密机械研究所研究员，博士生导师。主要从事光学微操纵、超分辨显微成像和数字全息显微方面的研究。）
现代光学显微技术发展迅速，超分辨荧光显微成像技术的分辨率已达到了纳米级别。但是，对于微观尺度的研究来说，除了“看得见”，还需要“摸得着”，而光镊就是那只“摸得着”微观粒子的“手”。
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什么是光镊
一束平行激光被显微物镜聚焦后会得到一个微米尺度的光斑。物镜数值孔径越大，聚焦的光斑越小（可以达到几百纳米），其电场强度梯度越大。对于电介质微粒来说，强聚焦光斑就是一个三维光学势阱，微粒会被束缚在其势能最低处。若微粒偏离势能最低点，就会受到指向势能最低点的恢复力的作用。由激光束强聚焦形成的光斑对于电介质微粒来说就像是一个“陷阱”，粒子被捕获在其中，如果移动聚焦光斑，微粒就会跟着光斑移动。这样一个强聚焦光斑可以对微粒实施捕获、移动和旋转等微操纵，就像一把“镊子”，因而被称为光镊（Optical Tweezers）。
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光镊技术的诞生
我们知道，太阳光孕育了地球上的生命，是地球活动的能量来源。除了能量特性，光还具有动量（即力）的特性。早在17世纪初，德国天文学家Kepler就提出了光压的概念来解释彗星尾巴背离太阳的现象。到了1901年，俄国物理学家Lebedev等人首次在实验上证明了光压的存在。但是，光的力学特性应用直到激光的发明后才得到实质的发展。1970年，美国Bell实验室的Ashkin等人首次在实验上利用相向传播的两束高斯光束捕获住了在水中的二氧化硅微球，证明了激光对微粒的散射力。1986年，Ashkin等人利用经高数值孔径聚焦的单束激光实现了对电介质微球的三维捕获，标志着光镊技术的诞生。
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光镊技术的应用价值
光镊的发明为人类研究微观尺度里的相互作用、深入理解微观世界提供了强有力的工具。光镊就是微观世界中的“镊子”，它可以夹持住微粒并控制微粒移动与旋转。光镊又是不一般的“镊子”，由于其利用光去操纵微粒，具有无机械接触和低损伤的特点。而且只要选择合适的低吸收波长，特别是近红外波段，光镊对生物组织的热损伤就几乎可以忽略不计，因此光镊技术非常适合生命科学领域的研究。光镊技术自发明以来被广泛用于生命科学、胶体物理、化学等研究领域，包括大分子或单细胞的力学特性研究、DNA与蛋白质分子的相互作用（图2a）、胶体粒子之间的相互作用、晶体的结晶过程控制等。光镊技术在原子物理学领域也有广泛的应用，其代表就是利用激光来捕获和冷却原子（图2b）。1997年朱棣文等人因其在激光捕获和冷却原子方面的杰出贡献被授予了诺贝尔物理学奖。
▲光镊应用的两个例子：（a）DNA与蛋白质分子的相互作用研究；（b）原子捕获与冷却。
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全息光镊技术
4.1 为什么研究全息光镊技术？
单光镊技术一次只能捕获和操纵一个微粒，而研究人员往往希望同时控制多个微粒。传统的方法是利用振镜扫描或者多光束耦合来产生多个光阱，但是这样产生的光阱数有限，缺乏灵活性，而且系统复杂。近年来，全息光镊（Holographic Optical Tweezers，HOT）技术备受关注。它利用空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM）等衍射元件调制入射光波前，在物镜焦区得到预期的光场以对微粒进行捕获与操纵。与传统光镊技术相比较，全息光镊技术不仅可以产生任意排列分布的点光阱大阵列来同时捕获多个微粒，而且可通过计算机编程独立控制其中的每一个光阱，实现复杂的动态操纵。此外，全息光镊技术通过调制入射光波前可以产生具有特殊模式的光阱，如拉盖尔高斯光束、贝塞尔光束和艾里光束等。
目前市场上已经开始有商品化的全息光镊操作平台，但大多价格昂贵、功能固定、不便改进。而一般实验室搭建的全息光镊系统又大多存在着系统设计冗余、光路松散、占用空间大和系统稳定性差的缺点。我们实验室设计了一套紧凑的全息光镊系统，系统所占空间只有约为45×45×40 cm3。模块化的设计使得我们的系统稳定性高，兼容性好，可以很好地荧光显微成像等技术结合。
▲紧凑型全息光镊装置
4.2 全息光镊的特点
（1）多光阱同时捕获
通过给空间光调制器加载特定的计算全息图可以调制入射光波前，然后把单束入射光分成多束出射光，从而在物镜焦区产生任意排布的大阵点列光阱。图4所示是利用点光阱大阵列来捕获和排列多个酵母菌细胞（图4a-b）和二氧化硅小球（图4c-d）的实验结果。
▲全息光镊按特定图案分布捕获和排布酵母菌细胞(a，b)和二氧化硅小球(c，d)。
（2） 多光阱动态微操纵
全息光镊可以独立控制每一个光阱的运动，进而控制微粒移动，实现复杂的多微粒同时动态操纵。把提前计算好的CGH图像序列加载到SLM，然后按照一定帧率刷新CGH就可以实现微粒的动态操纵，如图5是同时操纵8个二氧化硅微球分别做简谐运动和圆周运动的实验结果。
（3） 特殊模式光束微操纵
利用SLM可以调制产生拉盖尔-高斯光束、贝塞尔光束和艾里光束等特殊模式光束。特殊模式光束由于具有比较特殊的相位分布及传播特性，因此在光镊技术中应用广泛，例如利用LG光束旋转微粒研究轨道角动量的传递，利用贝塞尔光束和艾里光束输运微粒来实现微粒的分选等。图6（a）给出了几种特殊模式光束传播的光强分布示意图，左下角插图是光束的横截面强度分布。图6（b）和6（c）是我们利用轴平面成像技术来直接观察特殊模式光束的微操纵过程，其中图6（b）是利用零阶贝塞尔光束同时捕获多个二氧化硅微球并将其沿轴向排列成链子形状的实验结果；图6（c）是利用Airy光束输运聚苯乙烯微球时不同时刻的实验图像叠加，由此可看到微球沿抛物线弯曲轨迹运动。
▲（a）几种特殊模式光束传播的光强分布示意图，括号内数字表示光束的模式阶数。（b）贝塞尔光束和（c）艾里光束微操纵实验结果。
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结束语
我们实验室开展了多种光学捕获和微操纵技术的实验和理论研究，包括全息阵列光镊、特殊模式光学微操纵和矢量光束微操纵，还进行了光镊的应用研究，包括微粒的分选，以及细胞拉伸和凝胶的弹性模量测量等研究。我们期待与国内更多科研单位开展合作研究，将光学微操纵技术与蓬勃发展的生命科学等领域相结合，共同促进相关领域的发展。
相关参考文献：
梁言生，姚保利*，雷铭，严绍辉，于湘华，李曼曼. 基于空间光场调控技术的光学微操纵.光学学报，2016, 36(10): 1026003-1-12
（本文由北京科技报全媒体中心编辑制作，部分内容来自北京青年报、中国科学院西安光学精密机械研究所）
出品：科普中央厨房
监制：北京科技报 | 科学加客户端
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