上海科协大讲坛暨科技前沿大师谈
解读2018年科学类诺贝尔奖系列活动（二）

主       题：解读2018年诺贝尔物理奖——“摄动”生命大世界，“脉动”激光大领域

主办单位：上海市科学技术协会
承办单位：上海市科普作家协会、华东师范大学、新华网“科普中国-科技前沿大师谈”、上海科协大讲坛管理办公室
协办单位：《文汇报》社、《上海科技报》社、上海电影集团科教电影制片厂、上海市科普教育展示技术中心、《科学》杂志
时    间：2018年11月28日（星期三）下午14:00—16:00
地    点：华东师范大学闵行校区（剑川路399号）学生共享空间202报告厅

主持嘉宾：李儒新 中国科学院院士，光学专家,中科院上海光学精密机械研究所研究员
主讲嘉宾：吴  健 华东师范大学教授，国家重点研发计划首席科学家,精密光谱科学与技术国家重点实验室主任
对话嘉宾：刘  一 上海理工大学光电学院教授，博士生导师
媒体嘉宾：吴跃伟 澎湃新闻记者

解读概要：

2018年诺贝尔物理学奖被授予了激光物理领域的两项开创性重要工作。其中美国科学家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）的贡献是发明了“光镊”这种全新的无损伤的操控微小粒子（比如生物大分子）的方法，并被广泛应用于生命科学等研究领域；法国科学家杰拉德·穆鲁（Gérard Mourou）和加拿大女科学家唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland），他们的贡献是发明了一种能够产生“高强度、超短脉冲”的方法，叫做“啁啾脉冲光放大”技术，为超快激光的发展奠定了极其重要的基础。这两项工作带来的技术创新和发展，对近几十年的基础和应用研究影响极为深远。
美国物理学家阿什金发明了利用激光操控原子、分子、粒子的“光镊”技术。这一技术通俗的讲就是将一束激光照射到物体上，在没有任何接触的情况下，精确操控移动物体。类似于科幻小说情境的神奇技术。激光相比于生活中常见光源的主要特征是其高度的相干性和方向准直性。我们日常生活中常见的日光灯等光源，它们发的光是向四面八方发散的，而且不相干。在阿什金的年代，激光还是个新鲜的玩意儿，他在实验室用激光照射微小的球体，发现小球能够被移动，并且被拉到了光束的中心位置，也就是光强最高的地方。这是因为，光束中存在强度分布，靠中心的地方强度最高，越往外强度越低，而聚焦激光光束的焦点是强度最高的地方。这些光强的变化，称之为“梯度”，会对小球产生一个推力，将它推到光强最高的地方。利用聚焦的激光光束，可以对微小的颗粒形成一个“光阱”，将颗粒囚禁，称之为“光镊”。
利用光镊可以捕捉例如细胞、活细菌等生物活体，在无损伤的情况下对他们开展研究，因此在生物医学等领域得到了广泛而深远的发展。目前光镊已经成为了研究蛋白质热分子、DNA、细菌等生物过程的标准仪器。在这一技术的启发下，朱棣文发明了激光俘获冷原子的方法，获得了1997年的诺贝尔物理学奖。
“啁啾脉冲光放大技术”（CPA技术）在杰拉德的实验室被发明的时候，唐娜·斯特里克兰是杰拉德的博士后研究生。上个世纪八十年代，超短脉冲技术遇到了发展瓶颈。因为要将激光能量局限在非常短的时间尺度，就不可避免的会产生很高的瞬时光强。在能量放大的过程中，激光器里的增益介质由于承受不了这种超高的瞬时光强而被打坏，类似于一排横向排列的人群通过狭窄的木门的时候，要把木门挤坏而无法顺利通过。
CPA技术非常巧妙的解决了这一问题。这个技术将超短脉冲先“啁啾”起来，类似于让人群纵向排好队依次通过木门。一般超短脉冲都对应一个比较宽的光谱，包含很多颜色（频率）成分。我们可以利用光学元件，将一束超短脉冲中的不同频率成为在时间上分开（即为“啁啾”）。啁啾造成的结果就是原来超短脉冲中的“瞬时光强”被大大降低，因为能量被分散到了更长的时间尺度上。对这种啁啾脉冲进行放大，能够获得更高的能量。之后，利用压缩元件把“啁啾”的脉冲再补偿回去，形成所有频率成分同时到达的超短激光脉冲。这种展宽-放大-压缩的方法，使得人们在不破坏放大介质的前提下能够获得更高的能量，为更短、更强的激光脉冲的发展扫清了道路，彻底革新了激光技术。
经过几十年的发展，现在世界上能够达到的激光光强将达到1024W/cm2，这比世界上第一台激光器所能达到的光强高了15个数量级。在杰拉德·穆鲁的倡导下欧洲在捷克共和国、匈牙利和罗马尼亚三国边境正在建设极端高强度激光装置。在中国，上海张江综合性国家科学中心2017年已经建设实现世界领先的10拍瓦超快超强激光科学装置。1拍瓦等于1015瓦，是全球电网平均功率的500倍，相当于全球能耗平均功率的100倍。在时间尺度上，利用超短激光脉冲作为驱动源，实验室里已经能够产生阿秒脉冲（1阿秒=10-18秒），目前的世界最短的脉冲纪录为43阿秒。利用这样的超短脉冲，能够给原子分子甚至固体内部的超快运动拍电影，“分子电影”已经成为成熟的研究手段，人们甚至能够探究电子运动的奥秘。超短超强激光脉冲在光学、强场物理、高精度加工、化学与生命科学等领域均获得了重要应用。我们日常能够接触到的，比如激光矫正视力手术，就是得益于超快激光技术的发展。
光镊和啁啾脉冲光放大这两项技术，给之后几十年多领域的科学发展产生了广泛而深远的影响，可谓实至名归。这两项技术使得激光向着更强、更快两个极端方向飞速发展，大大拓展了人类认识探索自然的能力。

活动嘉宾简介：

主持嘉宾：李儒新院士

中国科学院院士，光学专家。中国科学院上海光学精密机械研究所研究员。
1990年毕业于天津大学精密仪器系光电子技术专业，1995年于中国科学院上海光学精密机械研究所获博士学位。现任中科院上海光学精密机械研究所所长，上海科技大学副校长，中科院上海高等研究院副院长，中国光学学会副理事长，中国青年科技工作者协会副会长。
主要从事超高峰值功率超短脉冲激光与强场激光物理研究。在超高峰值功率超短脉冲激光方面，与合作者一起解决了大口径高增益宽带激光放大器的寄生振荡抑制等关键科学技术问题，建成了拍瓦激光实验装置并取得重要应用成果。在强场激光物理方面，与合作者一起在激光尾波场的级联加速和高性能高能电子束产生、基于亚周期时间尺度相干控制的强场高次谐波与阿秒光源产生等方面取得重要成果。曾获国家自然科学二等奖、国家科技进步一等奖、中国青年科技奖等。

主讲嘉宾：吴 健教授

华东师范大学教授，国家重点研发计划首席科学家。精密光谱科学与技术国家重点实验室主任。中国光学学会理事、上海市物理学会理事。
2002年本科毕业于华东师范大学物理系，2007年在华东师范大学获得光学博士学位。2005至2006年在美国罗切斯特大学交流学习，2010年至2012年作为洪堡学者在德国法兰克福大学从事合作研究，2007年7月聘为副教授留校工作，2010年破格晋升为教授。曾入选科技部中青年科技创新领军人才、中组部青年拔尖人才、上海市东方学者、上海市曙光计划、上海市青年科技启明星及跟踪计划等人才计划。2014年获得国家杰出青年科学基金资助。应邀担任英国皇家物理学会SCI期刊Journal of Physics B的国际顾问委员。
主要从事分子超快行为精密测量与控制的研究，近年来在国际一流学术刊物发表SCI 论文100余篇，包括19篇PRL、1篇PNAS、4篇Nature Communications。

对话嘉宾：刘 一教授

上海理工大学光电学院教授，博士生导师。
2006年在北京大学光学专业取得博士学位。2006-2009年期间在法国巴黎综合理工大学从事博士后研究工作。2009年获聘法国国家科学研究中心(CNRS)终身职位副研究员。2014年在巴黎第六大学取得博士生导师资格(HDR)。2015年回到上海理工大学光电学院工作。研究方向为超快激光与物质的相互作用，空气激光，太赫兹辐射产生和探测等。相关工作已累计发表SCI学术论文50余篇，其中包括Physical Review Letters论文10篇。受邀撰写英文专著章节3章。以第1作者发表的三篇论文被美国物理学会Physical Review Focus，美国光学学会Laser Focus World专文报道。所发表论文被引用1800余次。受邀请国际学术会议报告20余次，其中2015年获美国激光与光电子大会(CLEO)邀请，进行分会场邀请报告。目前承担国家自然科学基金和上海市科研项目4项。

媒体嘉宾：吴跃伟

澎湃新闻记者。
2013年入职东方早报社，参与筹备科学副刊；随后参与创办澎湃新闻绿政公署栏目，先后担任记者、编辑职务，采写了“太阳休眠”、“对话诺奖得主理查德·罗伯茨、兰迪·谢克曼，谈转基因安全性和签名事件”，“人体冷冻”、“换头手术”等新闻，多次参与每年一度的诺贝尔奖报道。