驚人的飛秒激光器

飛秒激光器是僅以千兆分之一秒左右的超短時間放光的“超短脈沖光”發生裝置。飛是國際單位制詞頭飛托(femto)的縮寫，1飛秒=1×10^-15秒。所謂脈沖光是僅在一瞬間放光。照相機的閃光的發光時間是1微秒左右(即百萬分之一。秒)，所以飛秒的超短脈沖光只有其10億分之一左右的時間放光。眾所周知，光速是以30萬千米每秒(1秒間繞地球7周半)無與倫比快的速度飛馳而過，但是在1飛秒期間連光也只不過前進了0.3微米。

通常，我們用閃光攝影能夠剪下活動物體的瞬間狀態。同樣如果用飛秒激光器閃光，則連以劇烈速度進行化學反應的過程，都有可能看到其反應的每個片斷。為此，可以使用飛秒激光器來研究化學反應之謎。

一般的化學反應是在經過能量高的中間狀態，即所謂的“活性化狀態”后進行。活性化狀態的存在早在1889年已由化學家阿雷尼厄斯從理論上預言，但是因為是在極短瞬間存在，所以無法直接地觀察。但是1980年代末通過飛秒激光器直接證明了它的存在，這是用飛秒激光器查明化學反應的一個例子。如環戊酮分子經活性化狀態分解為一氧化碳與2個乙烯分子。

現在飛秒激光器還應用于物理、化學、生命科學、醫學、工程等廣泛領域，特別是光與電子攜手，期待在通信或計算機、能源領域開辟各種新的可能性。這是因為光的強度幾乎可以毫不損耗地從一地到另一地傳輸大量信息，使光通信進一步高速化。在核物理學的領域，飛秒激光器帶來了巨大沖擊。因為脈沖光具有非常強的電場，在1飛秒內有可能將電子加速到接近光速，所以，能夠用于加速電子的“加速器”。

在醫學上的應用

如上所述，在飛秒內的世界連光都被凍結得無法前進很遠，但是即使這個時間尺度，在物質中的原子、分子以及計算機芯片內部的電子在電路內依舊運動。如果使用飛秒脈沖就能讓其瞬間止住，研究發生了什么。除了閃光讓時間止住外，飛秒激光器還能夠在金屬上鉆出直徑最小達200納米(萬分之二毫米)的微孔。這意味短時間內被壓縮鎖定在里面的超短脈沖光獲得超高輸出的驚人效果，而且對周圍不產生額外損傷。再者，飛秒激光器的脈沖光能夠極精細地拍攝對象的立體圖像。立體圖像攝影在醫學診斷上具有非常用途，由此開辟了一門稱之為光干涉斷層學的新的研究領域。這是利用飛秒激光器拍攝活的組織、活的細胞的立體圖像。例如，用非常短脈沖光對準皮膚，脈沖光在皮膚表面反射，有部分脈沖光射入皮膚中。皮膚內部由許多層構成，射入皮膚的脈沖光作為小脈沖光被彈回，從反射光中這些形形色色的脈沖光的回波，能夠知道皮膚內部的構造。

此外，這項技術在眼科醫學中有很大的實用性，能夠拍攝眼睛深處視網膜的立體圖像。醫生以此能夠診斷其組織是否有問題。這種檢查不僅限于眼睛，如果用光纖將激光器送入體內的話，能夠檢查體內的各種器官的所有組織，將來甚至有可能檢查是否變成了癌。

實現超精密時鐘

科學家認為，如果使用可見光制成飛秒激光器的時鐘，則能夠比原子鐘更精密地測定時間，并且在今后幾年將作為世界最精確的時鐘。如果時鐘精確，那么也大大提高了用于汽車導航的GPS(全球定位系統)的精度。

為什么可見光能制造精確的時鐘呢?一切鐘表少不了擺和齒輪作運動，通過具有精確振動頻率的擺的擺動，使齒輪轉動秒鐘，精確時鐘也不例外。所以，欲要制造更精確的時鐘，有必要使用更高振動頻率的擺。石英鐘(用晶體振蕩代替擺的鐘)比擺鐘更準確，那是由于石英諧振器每秒振蕩次數更多。

現在作為時間標準的銫原子鐘，其振蕩頻率約是9.2吉赫(國際單位吉伽的詞頭，1吉=10⁹)。原子鐘是利用銫原子的固有振蕩頻率，用其振蕩頻率一致的微波代替擺，其精度是幾千萬年只差1秒。相比之下，可見光具有比微波振蕩頻率高出10萬～100萬倍的振蕩頻率，即用可見光能制造出精度高出原子鐘百萬倍的精密鐘。現在已在實驗室成功造出利用可見光的世界上最精確的鐘。

借助這個精確鐘可以驗證愛因斯坦的相對論。我們將這樣精確的鐘一個放在實驗室里，另一個放在樓下的辦公室里，考慮可能出現的情況，經過一、二個小時后，結果正如愛因斯坦相對論所預言的那樣，由于二層之間有不同的“引力場”，兩個鐘不再指向同一時間，樓下的鐘比樓上的鐘走得慢。如果用更精確的鐘，或許那天連戴在手腕和腳踝上的表的時間都不一樣。我們借助精確的鐘表就能簡單地體驗到相對論的魅力。

光速減慢技術

1999年美國哈巴特大學的萊納·豪教授成功地將光減速到每秒17米，是汽車都能追上的速度，其后又成功地減速到連自行車都能追上的程度。這個實驗涉及物理學最前沿的研究，在本文僅介紹實驗取得成功的兩個關鍵。一個是構筑接近絕對零度(-273.15℃)極低溫的鈉原子的“云”，即稱之玻色一愛因斯坦凝聚體的特殊氣體狀態。另一個是調節振動頻率的激光(控制用激光)，用它照射鈉原子的云，結果發生了不可思議的事情。

科學家首先借助控制用激光使脈沖光在原子的云中被壓縮，速度極端地減慢，這時關掉控制用激光，脈沖光隨之消失，載在脈沖光上的信息儲存在原子的云中。接著再用控制用激光照射，脈沖光恢復，走出原子的云中。于是原先被壓縮的脈沖重新又展寬，速度復原。脈沖光信息錄入原子云中的整個過程與計算機中的讀取、儲存、復位是何等地相似，因此這個技術有助于量子計算機的實現。

從“飛秒”到“阿秒”的世界

飛秒已經超乎我們的想像。現在我們又涉足比飛秒更短的“阿秒”世界。阿是國際單位制詞頭阿托(atto)的縮寫。1阿秒=1×10^-18秒=千分之一飛秒。阿秒脈沖不能用可見光制造，因為縮短脈沖必須使用更短波長的光。例如想用紅色可見光制造脈沖的情形，不可能制造比那個波長更短的脈沖。可見光是2飛秒左右的界限，為此阿秒的脈沖用波長更短的x射線或伽馬射線。使用阿秒x射線脈沖，將來能發現什么還不清楚。例如使用阿秒之間閃光將生物分子可視化，在極短的時間尺度下能夠觀察其活動，或許還能查明生物分子的結構。

責任編輯 蒲 暉