還記得《X戰(zhàn)警》中的鐳射眼嗎？他的眼睛可以發(fā)射毀滅光束。雖然還不能跟他一樣，但歷史上第一個(gè)由生物細(xì)胞制造的激光器誕生了。
制造“活的”激光器，人類的腎細(xì)胞脫穎而出。在將來，這樣“活的”激光器可能在活體動(dòng)物中被制造出來，這可能會(huì)使內(nèi)部組織成像達(dá)到前所未有的細(xì)致程度。
這并不是首個(gè)非傳統(tǒng)意義上的激光器。其他的嘗試還包括使用Jell-O果凍制作的激光器，以及核反應(yīng)堆驅(qū)動(dòng)的激光器（后文會(huì)提到）。但是你怎么能給予一個(gè)活的細(xì)胞這種奇異的能力呢？
通常情況下，一個(gè)激光器由增益介質(zhì)（這種材料的結(jié)構(gòu)特性使其可以放大光線）以及在其兩邊的鏡片組成。一個(gè)能量源——像是閃光管或是放電現(xiàn)象——將會(huì)激發(fā)增益介質(zhì)中的原子并使其釋放光子。一般來說，它們將會(huì)射向隨機(jī)的方向，就像手電筒的光束那樣，但是激光器使用增益介質(zhì)兩側(cè)的鏡面來產(chǎn)生定向的光束。
光子在鏡面間反射前進(jìn)時(shí)會(huì)反復(fù)穿過增益介質(zhì)，此時(shí)它們會(huì)刺激其他的原子釋放出具有完全相同波長(zhǎng)、相位和方向的光子。最終，一道集中并具有唯一頻率的光束會(huì)沖破鏡面成為激光。
存活并完好無損
數(shù)百種不同的增益介質(zhì)都曾被使用過，包括各種染料和氣體。但沒有人使用過活的生物組織。出于好奇，哈佛大學(xué)的Malte Gather 和 Seok-Hyun Yun決定研究使用單個(gè)的哺乳動(dòng)物細(xì)胞。
他們將促進(jìn)綠色熒光蛋白形成的DNA環(huán)注射到一個(gè)人類的腎細(xì)胞中。綠色熒光蛋白最初從水母中提取，它在暴露在藍(lán)光中時(shí)會(huì)發(fā)出綠色熒光。它可以用于追蹤細(xì)胞中的分子，并當(dāng)特定基因被表達(dá)時(shí)點(diǎn)亮，是生物學(xué)中的指路明燈。
將細(xì)胞置于兩面鏡子間后，研究員使用藍(lán)光脈沖對(duì)它進(jìn)行轟擊，直到它開始發(fā)光。當(dāng)綠光在鏡面間反射時(shí)，某種特定波長(zhǎng)將被優(yōu)先放大，直到它成為激光沖出半透明的鏡面。在持續(xù)數(shù)分鐘的激光放射后，該細(xì)胞仍然能夠存活并保持完好。
哈佛大學(xué)的Malte Gather 和 Seok-Hyun Yun
來自賓夕法尼亞大學(xué)的Christopher Fang-Yen致力于研究單原子激光器，但并沒有參與此次研究，他認(rèn)為這個(gè)新的研究十分吸引人。“綠色熒光蛋白類似于工業(yè)染料激光器所用的染料，如果將它放到一個(gè)像細(xì)胞這樣的小袋子里，并進(jìn)行光學(xué)刺激，你確實(shí)可以得到一個(gè)激光器，這并不使人感到意外”，他說，“但能證明這確實(shí)可行還是非常酷！”
內(nèi)部成像？
Yun的主要目的只是簡(jiǎn)單地測(cè)試一下生物激光器是否可能，但他還是認(rèn)真考慮了一些可能的應(yīng)用。“我們可以使用動(dòng)物體內(nèi)的激光器直接在在動(dòng)物組織內(nèi)生成激光。”他說。
在被稱為激光光學(xué)層析成像的技術(shù)中，激光束從體外射向活體組織。該光束透射以及散射的路徑可以表述組織的大小、體積和深度，并能生成圖像。如果可以從內(nèi)部成像，那么可能會(huì)得到具有更多細(xì)節(jié)的圖像。另外一種名為熒光顯微鏡的技術(shù)，它依靠使用綠色熒光蛋白標(biāo)記的活細(xì)胞產(chǎn)生的熒光來成像，Yun的生物學(xué)激光器可以生成更亮的激光用以提高它成像的分辨率。
要使動(dòng)物體內(nèi)的細(xì)胞成為激光器，必須植入綠色熒光蛋白使其可以發(fā)光。而Yun的激光器中使用的鏡片必須替換為納米級(jí)的金屬片作為光線接收器。
“以前，激光器被認(rèn)為只能使用工程材料，但現(xiàn)在我們證明了激光器可以植入生物系統(tǒng)，”Yun說。
見識(shí)一下可食用激光器、核能激光器以及反激光器
生物激光器雖是第一次，但其他奇怪的激光器在半世紀(jì)前就被制造出來了，比如Theodore Maiman就使用指尖大小的紅寶石棒制造了這樣的裝置。1960年5月16日，Maiman使用照相機(jī)的閃光轟擊紅寶石，產(chǎn)生了明亮的紅色光束。
Theodore Maiman于1960年制造的激光器
大概十年后，兩個(gè)未來的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者創(chuàng)造了首個(gè)可食用的激光器——好吧，幾乎是可食用的。Theodor Hänsch和Arthur Schawlow嘗試了12種口味的Jell-O零食才確定了一種“幾乎無毒的”熒光染料。將其加入到無味的明膠中，在受到紫外線光照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生明亮的激光束?？上У氖荢chawlo吃掉了失敗品，卻錯(cuò)過了成功的那個(gè)。
幾乎在同一時(shí)間，美國航空航天局想要更強(qiáng)力的激光發(fā)射器將能量發(fā)射到太空，并提出使用小型反應(yīng)堆中的核裂變碎片激發(fā)分子用以推動(dòng)發(fā)射器。在美國航空航天局最終放棄該計(jì)劃前，脈沖能量已經(jīng)達(dá)到了1千瓦。這個(gè)在里根時(shí)代被稱為“星球大戰(zhàn)”的計(jì)劃后來資助了核反應(yīng)堆驅(qū)動(dòng)的激光武器，不過這些武器從沒離開過地面。
里根的“星球大戰(zhàn)”計(jì)劃
近年來，世界上最小的激光器于2009年在加州大學(xué)伯克利分校展出。它在直徑只有50納米的硫化鎘束中生成綠色激光，而50納米只是他所發(fā)射出的光波長(zhǎng)的十分之一。
世界上最小的納米級(jí)半導(dǎo)體激光器
對(duì)了，別忘了反激光器，來自耶魯大學(xué)的物理學(xué)家曹慧與激光發(fā)射器相反，它會(huì)吸收激光光束，并釋放熱能。盡管聽起來很奇怪，但它也可能應(yīng)用于實(shí)際當(dāng)中：將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子形式，可作為未來通訊方式的選擇之一。
反激光器將激光轉(zhuǎn)換為熱能
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