超快光學：沒有最快，只有更快

李焱+施可彬+彭良友

編者按：同學們在人教版八年級《物理》上冊會學到光現象，那么你們知道如何對超快運動過程進行拍照嗎？就是采用超短激光。激光是20世紀人類的重大發明之一，被稱為超亮的光。超短激光在我們的生活中能發揮巨大的作用，可以用于制造超快的相機、超準的時鐘。下面，我們就來一窺其廬山真面目吧！

超短激光技術的發展

激光按工作方式可分為連續激光和脈沖激光。顧名思義，脈沖激光輸出的光是不連續的，而是一個個脈沖，科學家們將脈沖持續的時間稱為脈沖寬度。

激光發明后不久，調Q技術（將激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中，從而使激光光源的峰值功率提高幾個數量級）就產生出納秒級的激光脈沖。后來，鎖模技術（用于產生極短時間激光脈沖的技術）又將脈沖寬度縮短到皮秒（10-12秒）量級。

到了20世紀80年代，飛秒（10-15秒）量級激光登場。近年來，超短激光脈沖的寬度進一步縮短到令人驚訝的阿秒（10-18秒）量級。目前，阿秒激光多是通過高功率超短飛秒激光脈沖與氣體相作用而輻射出的高次諧波（頻率為原信號頻率兩倍及以上的新輻射）產生的。

激光技術的發展不斷沖擊“最小脈沖寬度”的極限，真可謂“沒有最快，只有更快”。超快超強光學和其他相關學科也隨之不斷被推向新的發展高度。

超快的光

我們知道，要想探測隨時間變化的一個快速過程，只能采用比此過程更短的閃光進行拍照。而超短激光脈沖就像一個超快的閃光燈，由于它的閃光過程非常短，因此微觀世界的動態過程就可以被一個個閃光照亮并記錄下來，就像在時間上提供了一把具有極小刻度的標尺。

原子和分子是組成物質的基本單元，分子中的原子核和原子分子中的電子都在做著高速運動。原子核間的轉動發生在皮秒量級、振動發生在飛秒量級，而電子在原子分子內部的運動通常發生在阿秒量級，例如氫原子里基態電子繞原子核運動一圈的時間大約是150阿秒。人們要了解這些過程，不得不借助超短激光。

超強的光

極短的脈沖寬度，不僅使超短激光脈沖具備超快的時間測量能力，還能使看起來微不足道的單脈沖能量，產生億瓦級的峰值功率（能量除以脈沖寬度）。目前，科學家們已能將這種能量提高到百焦耳以上，最大峰值功率已超過5拍瓦（1015瓦），可以產生接近太陽內部強度的電磁場環境。

超強激光為強電磁場下的物理和化學過程研究提供了獨一無二的科學工具，在臺式化加速器、激光聚變、核物理與核醫學、高能物理等領域均有重大應用價值。如今，飛秒激光具有在低能量下獲得高強度的特點，已經在先進制造和生物醫學等領域得到廣泛的應用。

超準的鐘

飛秒激光脈沖是通過鎖模技術將千百萬個不同顏色的激光協同起來而產生的，這些不同的電磁波呈現出嚴格精確同步的波動行為，為精密測量提供了一種優秀的頻率標準。現在，各國都在競相發展超準的“光鐘”，它通過冷原子或冷離子（冷卻到超低溫度的原子或離子）提供頻率基準，將單一頻率的光學振蕩利用飛秒激光光學頻率梳技術，傳遞到其他光學波段進行計數，其計時精度比工作在微波波段的原子鐘又有大幅提升。

可以說，目前世界上走得最準的時鐘就是光鐘。假設它在地球誕生之初就開始工作，那么運行到現在的偏差也不會超過1秒。這種超準的計時技術，使GPS 等系統的定位精度被推進到厘米量級。

知識鏈接：

美國加州理工學院的科學家澤維爾，正是因為利用飛秒激光“目睹了分子的誕生和死亡（化學反應中分子的形成和分解）”而獲得了1999 年的諾貝爾化學獎，從而帶動了飛秒化學和飛秒物理等領域的快速發展。當前，國際研究中的一些前沿問題，就是利用超快的飛秒或阿秒脈沖或者它們的組合，去探測或者控制原子分子內部的這些動力學過程。endprint