2018年諾獎公佈了，聚光桶尺寸，美國科學家阿斯金的貢獻光學子

怎麼測量聚光桶尺寸

2018年諾貝爾物理獎公佈了，今年諾貝爾物理學獎分為兩半，其中一半授予美國科學家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin），阿斯金的貢獻為“光學鑷子及其在生物系統的應用”被人們成為光學鑷子究竟是什麼東西呢？

還是先談談作為鑷子的光，鐳射。某些物質原子中的粒子受光或電的激發，由低能級的原子躍遷為高能級原子，當高能級原子的數目大於低能級原子的數目，並由高能級躍遷回低能級時，就放射出相位、頻率、方向等完全相同的光，這種光叫做鐳射。1960年7月7日，西奧多·梅曼宣佈世界上第一臺鐳射器誕生，梅曼的方案是，利用一個高強閃光燈管，來激發紅寶石。由於紅寶石其實在物理上只是一種摻有鉻原子的剛玉，所以當紅寶石受到刺激時，就會發出一種紅光。在一塊表面鍍上反光鏡的紅寶石的表面鑽一個孔，使紅光可以從這個孔溢位，從而產生一條相當集中的纖細紅色光柱，當它射向某一點時，可使其達到比太陽表面還高的溫度。前蘇聯科學家尼古拉·巴索夫於1960年發明了半導體鐳射器。半導體鐳射器的結構通常由p層、n層和形成雙異質結的有源層構成。其特點是：尺寸小、耦合效率高、響應速度快、波長和尺寸與光纖尺寸適配、可直接調製、相干性好。鐳射有四個特性：

1 單色性好：普通光源發射的光子，在頻率上是各不相同的，所以包含有各種顏色。而鐳射發射的各個光子頻率相同，因此鐳射是最好的單色光源。由於光的生物效應強烈地依賴於光的波長，使得鐳射的單色性在臨床選擇性治療上獲得重要應用。此外，鐳射的單色特性在光譜技術及光學測量中也得到廣泛應用，已成為基礎醫學研究與臨床診斷的重要手段。

2 相干性好：由於受激輻射的光子在相位上是一致的，再加之諧振腔的選模作用，使鐳射束橫截面上各點間有固定的相位關係，所以鐳射的空間相干性很好（由自發輻射產生的普通光是非相干光）。鐳射為我們提供了最好的相干光源。正是由於鐳射器的問世，才促使相干技術獲得飛躍發展，全息技術才得以實現。

3 方向性好：鐳射束的發散角很小，幾乎是一平行的光線，鐳射照射到月球上形成的光斑直徑僅有1公里左右。而普通光源發出的光射向四面八方，為了將普通光沿某個方向集中起來常使用聚光裝置，但即便是最好的探照燈，如將其光投射到月球上，光斑直徑將擴大到1 000公里以上。鐳射束的方向性好這一特性在醫學上的應用主要是鐳射能量能在空間高度集中，從而可將鐳射束製成鐳射手術刀。另外，由幾何光學可知，平行性越好的光束經聚焦得到的焦斑尺寸越小，再加之鐳射單色性好，經聚焦後無色散像差，使光斑尺寸進一步縮小，可達微米級以下，甚至可用作切割細胞或分子的精細的“手術刀”。

4 亮度高：鐳射的亮度可比普通光源高出1012－1019倍，是目前最亮的光源，強鐳射甚至可產生上億度的高溫。鐳射的高能量是保證鐳射臨床治療有效的最可貴的基本特性之一。利用鐳射的高能量還可使鐳射應用於鐳射加工工業及國防事業等。

要談到光鑷子，首先必須說的一個問題：光壓。光壓是指光照射到物體上對物體表面產生的壓力。遠在1748年尤拉即已指出光壓的存在，並在1901年由俄國物理學家列別捷夫首次測量出來。人們可以從光的電磁理論或光的量子理論推算出光壓的大小。

20世紀60年代，當鐳射作為具有極高亮度的相干光源出現時，光壓的研究發生了革命性的變化。70年代初，人們開始對鐳射的輻射壓開始全面和深入的研究，特別是對原子在不同條件下所受輻射壓力的性質和機制進行理論探討和實驗觀測，從而發展起原子束的鐳射偏轉，鐳射冷卻，光子粘膠及原子噴泉等實驗技術，同時利用光壓進行原子俘獲，粒子操縱等研究。正是由於在鐳射冷卻方面的先驅性研究，著名的華裔科學家，斯坦福大學的朱棣文教授與其他兩人共同獲得了1997年度諾貝爾物理學獎。

光源同時具有熱效應和輻射效應。對普通光源而言，由熱效應所產生的壓力比由單純動量交換產生的輻射壓力大幾個數量級，因此很難獲得足夠的輻射壓力。鐳射的出現改變了這一狀況，使光的輻射壓力得到充分體現。同時鐳射光束的截面分佈具有簡單確定的數學表達，便於進行理論處理，使光阱和光懸浮的研究成為可能。鐳射鑷子是利用鐳射與物質間進行動量傳遞時的力學效應形成三維光學勢阱。

當一束強匯聚的高斯光場作用於透明粒子時，如果粒子的折射率n1大於周圍介質的折射率n0，梯度力Fa， Fb 會把粒子推向光場的最強處（軸心）。在光束傳播方向上光對粒子不僅會產生軸向的推力，還會產生逆軸向的拉力，從而實現捕獲。這裡光學捕獲是透過透明介質微粒與光子發生動量交換而完成的。這與帶電粒子受靜電場庫侖力或交變場的梯度力而實現的電動捕獲不同，與金屬粒子或超導體在磁場中的磁懸浮也不同。物理學中把這種光學叫做光學囚禁。

1970年，美國電報電話公司貝爾實驗室的阿什金教授採用一束高斯鐳射，成功地在垂直於光的傳播方向上束縛了懸浮在水中的聚苯乙烯微粒，這一實驗將輻射壓的應用從原子量級擴充套件到了微米範圍，奠定了光鑷的研究基礎。之後他又設計了雙光束光學陷阱，初步實現了光鑷的雛形。

1986年，他把單束鐳射引入高數值孔徑物鏡形成了三維光學勢阱，證明光學勢阱可以無損傷地操縱活體物質。目前所說的光鑷即是這樣一種三維全光學勢阱。光鑷對粒子無損傷，具有非接觸性，作用力均勻，微米量級的精確定位，可選擇特定個體，並可在生命狀態下進行操作等特點，特別適用於對細胞和亞細胞層次上活體的研究，如對細胞或細胞器的捕獲，分選與操縱，彎曲細胞骨架，克服布朗運動所引起的細菌旋轉等。這也正是光鑷得以在生物領域中被廣泛應用，並顯示出強大生命力和廣闊應用前景的原因之一。正如其發明者所說，光鑷“將細胞從它們的正常位置移去的能力，為我們打開了精確研究其功能的大門”。

不論你是想尋求一個經濟型的開放結構的光鑷，英國Elliot光鑷系統給你現有顯微鏡增添光學鑷子功能，採購一個完全整合的電腦控制的多點光學鑷子，或增加單點或多點的力值測量。我們都可以滿足您的需求。我們交付完全可以開始他們的研究。標準系統包括：元件化的開放式結構光鑷獨立的，便攜，臺式單光束光鑷工作站帶商業顯微鏡整合的單光束光鑷與商業顯微鏡整合的全電腦控制下的多點光鑷用QPD測量單陷阱強度的力值測量配件利用照相機顆粒軌跡顯示多陷阱剛度，多粒子徑跡的力值測量配件。

光鑷是基於光的力學效應的一項新的物理工具，它如同一把無形的機械鑷子，可實現對活體細胞及細胞器的無損傷的捕獲與操作。光鑷是目前研究單個活體細胞最獨特而有效的工具。光鑷的發明正適合了生命科學深入到細胞、亞細胞層次的研究趨勢，也為生物工程技術提供了一種最新的手段。對光鑷的初步應用已展示其在生命科學領域中無限美好的應用前景。

光鑷，如同一把無形的鑷子可以捕獲微小的生命。它是鐳射發明以來，繼鐳射刀（鐳射微束）之後在生命科學中得到重要應用的又一新的物理手段。細胞是生命結構和功能的基本單元，光鑷用於微米範圍內操縱微粒的特點正好符合細胞、亞細胞層次的研究。在20世紀末各種新技術爭妍鬥豔的角逐中，光鑷以它能動態地研究活細胞的獨特的功能，顯示出耀人眼目的燦爛之光。所以對於解決1945年（薛定諤）提出生命是什麼以來，人們一直如何在探索觀察與研究活細胞的方法。光鑷子，很好解決了在微米尺度上活細胞研究的進一步發展，期待著新思想、新技術、新方法的出現。

2018年10月北京時間2日下午5時53分許，諾獎委員會宣佈，美國科學家Arthur Ashkin、法國學者Gérard Mourou和加拿大科學家Donna Strickland獲得2018諾貝爾物理學獎，表彰其在鐳射物理學領域取得的奠基性成就。出生於1922年的阿什金在1987年取得一項重大突破：利用光學鑷子抓起了活的細菌，而沒有對其造成損傷。他立即開始了對生物系統的研究。今天光學鑷子被廣泛應用於探索生命的機制。

頒獎詞指出，今年諾貝爾物理學獎表彰的是給鐳射物理學帶來革命的發明。鐳射讓觀察到極小的東西和極快的程序成為可能，先進的精確儀器開啟了全新的研究領域，也在工業和醫學領域有廣泛應用。

2018年10月3日於宜昌市尚書巷弄石齋