飛秒激光器的應(yīng)用

飛秒激光器是僅以千兆分之一秒左右的超短時(shí)間放光的“超短脈沖光”發(fā)生裝置。飛是國(guó)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(jī)的閃光的發(fā)光時(shí)間是1微秒左右，所以飛秒的超短脈沖光只有其10億分之一左右的時(shí)間放光。眾所周知，光速是以30萬(wàn)千米每秒(1秒間繞地球7周半)無(wú)與倫比快的速度飛馳而過(guò)，但是在1飛秒期間連光也只不過(guò)前進(jìn)了0.3微米。

通常，我們用閃光攝影能夠剪下活動(dòng)物體的瞬間狀態(tài)。同樣如果用飛秒激光器閃光，則連以劇烈速度進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，都有可能看到其反應(yīng)的每個(gè)片斷。為此，可以使用飛秒激光器來(lái)研究化學(xué)反應(yīng)之謎。

一般的化學(xué)反應(yīng)是在經(jīng)過(guò)能量高的中間狀態(tài)，即所謂的“活性化狀態(tài)”后進(jìn)行。活性化狀態(tài)的存在早在1889年已由化學(xué)家阿雷尼厄斯從理論上預(yù)言，但是因?yàn)槭窃跇O短瞬間存在，所以無(wú)法直接地觀察。但是1980年代末通過(guò)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(xué)反應(yīng)的一個(gè)例子。如環(huán)戊酮分子經(jīng)活性化狀態(tài)分解為一氧化碳與2個(gè)乙烯分子。

現(xiàn)在飛秒激光器還應(yīng)用于物理、化學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、工程等廣泛領(lǐng)域，特別是光與電子攜手，期待在通信或計(jì)算機(jī)、能源領(lǐng)域開辟各種新的可能性。這是因?yàn)楣獾膹?qiáng)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(jìn)一步高速化。在核物理學(xué)的領(lǐng)域，飛秒激光器帶來(lái)了巨大沖擊。因?yàn)槊}沖光具有非常強(qiáng)的電場(chǎng)，在1飛秒內(nèi)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(yī)學(xué)上的應(yīng)用

如上所述，在飛秒內(nèi)的世界連光都被凍結(jié)得無(wú)法前進(jìn)很遠(yuǎn)，但是即使這個(gè)時(shí)間尺度，在物質(zhì)中的原子、分子以及計(jì)算機(jī)芯片內(nèi)部的電子在電路內(nèi)依舊運(yùn)動(dòng)。如果使用飛秒脈沖就能讓其瞬間止住，研究發(fā)生了什么。除了閃光讓時(shí)間止住外，飛秒激光器還能夠在金屬上鉆出直徑最小達(dá)200納米(萬(wàn)分之二毫米)的微孔。這意味短時(shí)間內(nèi)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(duì)周圍不產(chǎn)生額外損傷。再者，飛秒激光器的脈沖光能夠極精細(xì)地拍攝對(duì)象的立體圖像。立體圖像攝影在醫(yī)學(xué)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(xué)的新的研究領(lǐng)域。這是利用飛秒激光器拍攝活的組織、活的細(xì)胞的立體圖像。例如，用非常短脈沖光對(duì)準(zhǔn)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(nèi)部由許多層構(gòu)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(nèi)部的構(gòu)造。

此外，這項(xiàng)技術(shù)在眼科醫(yī)學(xué)中有很大的實(shí)用性，能夠拍攝眼睛深處視網(wǎng)膜的立體圖像。醫(yī)生以此能夠診斷其組織是否有問(wèn)題。這種檢查不僅限于眼睛，如果用光纖將激光器送入體內(nèi)的話，能夠檢查體內(nèi)的各種器官的所有組織，將來(lái)甚至有可能檢查是否變成了癌。

實(shí)現(xiàn)超精密時(shí)鐘

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

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

現(xiàn)在作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的銫原子鐘，其振蕩頻率約是9.2吉赫(國(guó)際單位吉伽的詞頭，1吉=10^9)。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(wàn)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(wàn)～100萬(wàn)倍的振蕩頻率，即用可見光能制造出精度高出原子鐘百萬(wàn)倍的精密鐘。現(xiàn)在已在實(shí)驗(yàn)室成功造出利用可見光的世界上最精確的鐘。

借助這個(gè)精確鐘可以驗(yàn)證愛因斯坦的相對(duì)論。我們將這樣精確的鐘一個(gè)放在實(shí)驗(yàn)室里，另一個(gè)放在樓下的辦公室里，考慮可能出現(xiàn)的情況，經(jīng)過(guò)一、二個(gè)小時(shí)后，結(jié)果正如愛因斯坦相對(duì)論所預(yù)言的那樣，由于二層之間有不同的“引力場(chǎng)”，兩個(gè)鐘不再指向同一時(shí)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(shí)間都不一樣。我們借助精確的鐘表就能簡(jiǎn)單地體驗(yàn)到相對(duì)論的魅力。

光速減慢技術(shù)

1999年美國(guó)哈巴特大學(xué)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(gè)實(shí)驗(yàn)涉及物理學(xué)最前沿的研究，在本文僅介紹實(shí)驗(yàn)取得成功的兩個(gè)關(guān)鍵。一個(gè)是構(gòu)筑接近絕對(duì)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(tài)。另一個(gè)是調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率的激光(控制用激光)，用它照射鈉原子的云，結(jié)果發(fā)生了不可思議的事情。

科學(xué)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(shí)關(guān)掉控制用激光，脈沖光隨之消失，載在脈沖光上的信息儲(chǔ)存在原子的云中。接著再用控制用激光照射，脈沖光恢復(fù)，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(fù)原。脈沖光信息錄入原子云中的整個(gè)過(guò)程與計(jì)算機(jī)中的讀取、儲(chǔ)存、復(fù)位是何等地相似，因此這個(gè)技術(shù)有助于量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)。

從“飛秒”到“阿秒”的世界

飛秒已經(jīng)超乎我們的想像。現(xiàn)在我們又涉足比飛秒更短的“阿秒”世界。阿是國(guó)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?yàn)榭s短脈沖必須使用更短波長(zhǎng)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(gè)波長(zhǎng)更短的脈沖?？梢姽馐?飛秒左右的界限，為此阿秒的脈沖用波長(zhǎng)更短的x射線或伽馬射線。使用阿秒x射線脈沖，將來(lái)能發(fā)現(xiàn)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(shí)間尺度下能夠觀察其活動(dòng)，或許還能查明生物分子的結(jié)構(gòu)。

審核編輯黃宇