飛(fei)秒激光(guang)(guang)器是僅(jin)以(yi)千兆分之(zhi)一(yi)秒左右的(de)(de)超短時(shi)間(jian)放(fang)光(guang)(guang)的(de)(de)“超短脈(mo)(mo)沖(chong)光(guang)(guang)”發(fa)生裝(zhuang)置。飛(fei)是國際(ji)單位制詞頭飛(fei)托(femto)的(de)(de)縮寫(xie)，1飛(fei)秒=1×10^-15秒。所(suo)(suo)謂(wei)脈(mo)(mo)沖(chong)光(guang)(guang)是僅(jin)在一(yi)瞬間(jian)放(fang)光(guang)(guang)。照(zhao)相機的(de)(de)閃(shan)光(guang)(guang)的(de)(de)發(fa)光(guang)(guang)時(shi)間(jian)是1微(wei)秒左右，所(suo)(suo)以(yi)飛(fei)秒的(de)(de)超短脈(mo)(mo)沖(chong)光(guang)(guang)只有其(qi)10億分之(zhi)一(yi)左右的(de)(de)時(shi)間(jian)放(fang)光(guang)(guang)。眾所(suo)(suo)周(zhou)知(zhi)，光(guang)(guang)速是以(yi)30萬千米(mi)每秒(1秒間(jian)繞(rao)地(di)球7周(zhou)半)無與(yu)倫比(bi)快(kuai)的(de)(de)速度(du)飛(fei)馳(chi)而(er)過，但是在1飛(fei)秒期(qi)間(jian)連光(guang)(guang)也只不過前進了(le)0.3微(wei)米(mi)。

通常，我們用(yong)閃(shan)光(guang)(guang)攝影能(neng)夠剪下活動物體(ti)的(de)瞬(shun)間狀(zhuang)態。同樣(yang)如果用(yong)飛秒激(ji)(ji)光(guang)(guang)器閃(shan)光(guang)(guang)，則連以劇(ju)烈速度進行化(hua)學反(fan)應的(de)過(guo)程，都(dou)有可能(neng)看到其(qi)反(fan)應的(de)每個(ge)片(pian)斷。為此，可以使用(yong)飛秒激(ji)(ji)光(guang)(guang)器來研(yan)究化(hua)學反(fan)應之謎。

一般的(de)(de)化(hua)(hua)(hua)學(xue)反應(ying)是在(zai)經過(guo)能量(liang)高的(de)(de)中間(jian)狀(zhuang)態，即所(suo)謂的(de)(de)“活(huo)(huo)性(xing)(xing)化(hua)(hua)(hua)狀(zhuang)態”后(hou)進行。活(huo)(huo)性(xing)(xing)化(hua)(hua)(hua)狀(zhuang)態的(de)(de)存(cun)在(zai)早在(zai)1889年已由化(hua)(hua)(hua)學(xue)家阿雷尼厄(e)斯從(cong)理(li)論上預言，但是因為(wei)是在(zai)極短瞬(shun)間(jian)存(cun)在(zai)，所(suo)以無法(fa)直接(jie)地觀察。但是1980年代末通過(guo)飛秒激光器直接(jie)證明了(le)它的(de)(de)存(cun)在(zai)，這是用飛秒激光器查明化(hua)(hua)(hua)學(xue)反應(ying)的(de)(de)一個(ge)例子(zi)。如環戊酮分子(zi)經活(huo)(huo)性(xing)(xing)化(hua)(hua)(hua)狀(zhuang)態分解為(wei)一氧化(hua)(hua)(hua)碳(tan)與(yu)2個(ge)乙烯分子(zi)。

現在(zai)飛秒(miao)(miao)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器還應(ying)用于物理(li)、化學(xue)(xue)、生命(ming)科學(xue)(xue)、醫學(xue)(xue)、工程等廣(guang)泛領域，特(te)別(bie)是光(guang)(guang)(guang)與(yu)電(dian)(dian)子攜手，期待(dai)在(zai)通(tong)信(xin)或計算(suan)機(ji)、能(neng)源領域開(kai)辟各(ge)種新的可(ke)(ke)能(neng)性。這(zhe)是因為光(guang)(guang)(guang)的強度幾乎可(ke)(ke)以毫不損耗地(di)(di)從一(yi)地(di)(di)到另一(yi)地(di)(di)傳輸(shu)大量信(xin)息，使光(guang)(guang)(guang)通(tong)信(xin)進一(yi)步高速(su)化。在(zai)核物理(li)學(xue)(xue)的領域，飛秒(miao)(miao)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)器帶來(lai)了巨大沖(chong)擊。因為脈(mo)沖(chong)光(guang)(guang)(guang)具有(you)非(fei)常(chang)強的電(dian)(dian)場，在(zai)1飛秒(miao)(miao)內(nei)有(you)可(ke)(ke)能(neng)將電(dian)(dian)子加速(su)到接(jie)近光(guang)(guang)(guang)速(su)，所以，能(neng)夠用于加速(su)電(dian)(dian)子的“加速(su)器”。

在醫學上的應用

如上(shang)所(suo)述，在飛(fei)秒內(nei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)世(shi)界連光(guang)(guang)(guang)都(dou)被(bei)凍結得(de)無法前(qian)進很遠，但是即使(shi)這個(ge)時間尺度，在物質中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)子(zi)、分(fen)(fen)子(zi)以及(ji)計算機(ji)芯片內(nei)部(bu)(bu)(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)子(zi)在電(dian)路內(nei)依舊運動。如果(guo)使(shi)用飛(fei)秒脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)就能(neng)讓其瞬間止住，研(yan)究發生了什么。除了閃光(guang)(guang)(guang)讓時間止住外，飛(fei)秒激(ji)光(guang)(guang)(guang)器還能(neng)夠在金屬上(shang)鉆(zhan)出(chu)(chu)直徑最(zui)小達200納米(萬分(fen)(fen)之二(er)毫米)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)微孔(kong)。這意味短(duan)時間內(nei)被(bei)壓(ya)縮鎖定在里(li)面的(de)(de)(de)(de)(de)(de)超(chao)短(duan)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)光(guang)(guang)(guang)獲得(de)超(chao)高(gao)輸出(chu)(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)驚(jing)人效果(guo)，而且對(dui)周圍不產(chan)生額外損傷。再(zai)者，飛(fei)秒激(ji)光(guang)(guang)(guang)器的(de)(de)(de)(de)(de)(de)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)光(guang)(guang)(guang)能(neng)夠極(ji)精(jing)細地拍攝(she)對(dui)象的(de)(de)(de)(de)(de)(de)立(li)(li)體(ti)圖像。立(li)(li)體(ti)圖像攝(she)影在醫學診斷(duan)上(shang)具有(you)非常用途，由此開辟了一(yi)門(men)稱之為(wei)光(guang)(guang)(guang)干(gan)涉斷(duan)層學的(de)(de)(de)(de)(de)(de)新的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究領域。這是利用飛(fei)秒激(ji)光(guang)(guang)(guang)器拍攝(she)活(huo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)組織、活(huo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)細胞的(de)(de)(de)(de)(de)(de)立(li)(li)體(ti)圖像。例如，用非常短(duan)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)光(guang)(guang)(guang)對(dui)準皮膚，脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)光(guang)(guang)(guang)在皮膚表面反(fan)射，有(you)部(bu)(bu)(bu)分(fen)(fen)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)光(guang)(guang)(guang)射入(ru)皮膚中。皮膚內(nei)部(bu)(bu)(bu)由許多層構成，射入(ru)皮膚的(de)(de)(de)(de)(de)(de)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)光(guang)(guang)(guang)作為(wei)小脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)光(guang)(guang)(guang)被(bei)彈回(hui)，從反(fan)射光(guang)(guang)(guang)中這些(xie)形形色色的(de)(de)(de)(de)(de)(de)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)回(hui)波，能(neng)夠知道皮膚內(nei)部(bu)(bu)(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)構造。

此外，這(zhe)項技術在眼科醫(yi)學(xue)中有很(hen)大(da)的實用(yong)性，能(neng)(neng)夠拍攝眼睛(jing)深處視網膜的立體(ti)圖像。醫(yi)生以此能(neng)(neng)夠診斷(duan)其組(zu)(zu)織是否(fou)(fou)有問題。這(zhe)種檢(jian)查不僅限于(yu)眼睛(jing)，如果用(yong)光(guang)(guang)纖將(jiang)激光(guang)(guang)器送入體(ti)內(nei)的話(hua)，能(neng)(neng)夠檢(jian)查體(ti)內(nei)的各種器官的所有組(zu)(zu)織，將(jiang)來甚至有可能(neng)(neng)檢(jian)查是否(fou)(fou)變成了癌(ai)。

實現超精密時鐘

科(ke)學家(jia)認為(wei)，如果(guo)使用(yong)可見(jian)光(guang)制成飛秒激光(guang)器的(de)時(shi)(shi)鐘，則能夠比原子(zi)鐘更精密(mi)地(di)測定(ding)時(shi)(shi)間，并且在(zai)今后幾年將作(zuo)為(wei)世(shi)界最精確的(de)時(shi)(shi)鐘。如果(guo)時(shi)(shi)鐘精確，那么(me)也大大提(ti)高了用(yong)于汽(qi)車導航的(de)GPS(全球定(ding)位系統(tong))的(de)精度。

為什(shen)么可見光能制造精確(que)的時鐘(zhong)呢?一切(qie)鐘(zhong)表少不(bu)了(le)擺(bai)和齒輪作運(yun)動(dong)，通(tong)過具有精確(que)振(zhen)動(dong)頻率的擺(bai)的擺(bai)動(dong)，使(shi)(shi)齒輪轉動(dong)秒鐘(zhong)，精確(que)時鐘(zhong)也不(bu)例外。所以，要(yao)(yao)制造更精確(que)的時鐘(zhong)，有必要(yao)(yao)使(shi)(shi)用(yong)更高(gao)振(zhen)動(dong)頻率的擺(bai)。石英(ying)鐘(zhong)(用(yong)晶(jing)體振(zhen)蕩(dang)代替(ti)擺(bai)的鐘(zhong))比擺(bai)鐘(zhong)更準確(que)，那(nei)是由于(yu)石英(ying)諧振(zhen)器每秒振(zhen)蕩(dang)次數(shu)更多。

現(xian)在(zai)作為時(shi)間標準的銫原(yuan)子鐘(zhong)(zhong)，其(qi)振蕩(dang)(dang)頻率約是(shi)9.2吉(ji)(ji)赫(國際(ji)單位(wei)吉(ji)(ji)伽的詞頭，1吉(ji)(ji)=10^9)。原(yuan)子鐘(zhong)(zhong)是(shi)利用銫原(yuan)子的固有(you)振蕩(dang)(dang)頻率，用其(qi)振蕩(dang)(dang)頻率一致的微波代替擺，其(qi)精(jing)度是(shi)幾千(qian)萬(wan)(wan)年只差1秒。相比之下，可見(jian)光(guang)具有(you)比微波振蕩(dang)(dang)頻率高(gao)出10萬(wan)(wan)～100萬(wan)(wan)倍(bei)的振蕩(dang)(dang)頻率，即用可見(jian)光(guang)能(neng)制造出精(jing)度高(gao)出原(yuan)子鐘(zhong)(zhong)百萬(wan)(wan)倍(bei)的精(jing)密鐘(zhong)(zhong)。現(xian)在(zai)已在(zai)實驗(yan)室成功造出利用可見(jian)光(guang)的世界上最精(jing)確(que)的鐘(zhong)(zhong)。

借助這(zhe)個精確鐘(zhong)(zhong)(zhong)可(ke)以(yi)驗(yan)證(zheng)愛因斯坦的(de)(de)(de)(de)(de)(de)相對(dui)論(lun)。我們(men)將這(zhe)樣精確的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鐘(zhong)(zhong)(zhong)一(yi)(yi)(yi)個放在實(shi)驗(yan)室里(li)，另一(yi)(yi)(yi)個放在樓(lou)下的(de)(de)(de)(de)(de)(de)辦公室里(li)，考慮可(ke)能出現的(de)(de)(de)(de)(de)(de)情況，經過(guo)一(yi)(yi)(yi)、二個小時后，結果(guo)正如(ru)愛因斯坦相對(dui)論(lun)所預(yu)言的(de)(de)(de)(de)(de)(de)那樣，由于(yu)二層之間有(you)不同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)“引力(li)場(chang)”，兩個鐘(zhong)(zhong)(zhong)不再指向同一(yi)(yi)(yi)時間，樓(lou)下的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鐘(zhong)(zhong)(zhong)比樓(lou)上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鐘(zhong)(zhong)(zhong)走得(de)慢(man)。如(ru)果(guo)用更(geng)精確的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鐘(zhong)(zhong)(zhong)，或許那天連戴在手腕和腳踝上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)表的(de)(de)(de)(de)(de)(de)時間都不一(yi)(yi)(yi)樣。我們(men)借助精確的(de)(de)(de)(de)(de)(de)鐘(zhong)(zhong)(zhong)表就(jiu)能簡單(dan)地體驗(yan)到相對(dui)論(lun)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)魅力(li)。

光速減慢技術

1999年美(mei)國哈巴特(te)大(da)學的萊納(na)·豪(hao)教(jiao)授(shou)成(cheng)功(gong)地(di)將光(guang)(guang)減(jian)速(su)到(dao)每秒17米，是汽(qi)車(che)都(dou)(dou)能追(zhui)上(shang)的速(su)度，其后又成(cheng)功(gong)地(di)減(jian)速(su)到(dao)連自行(xing)車(che)都(dou)(dou)能追(zhui)上(shang)的程度。這(zhe)個(ge)(ge)實(shi)驗(yan)涉及物理學最前沿的研究，在本文僅介(jie)紹實(shi)驗(yan)取得成(cheng)功(gong)的兩(liang)個(ge)(ge)關鍵。一(yi)個(ge)(ge)是構(gou)筑接近絕對(dui)零度(-273.15℃)極低溫的鈉(na)(na)原子的“云(yun)”，即稱(cheng)之玻色一(yi)愛因斯坦(tan)凝聚體的特(te)殊氣體狀態。另一(yi)個(ge)(ge)是調(diao)節振動頻率的激光(guang)(guang)(控制用(yong)(yong)激光(guang)(guang))，用(yong)(yong)它照射鈉(na)(na)原子的云(yun)，結果發生了不可(ke)思議的事情。

科學家首先借(jie)助控(kong)制(zhi)用(yong)激光(guang)(guang)(guang)使脈(mo)沖(chong)(chong)(chong)光(guang)(guang)(guang)在(zai)原(yuan)子(zi)(zi)的(de)(de)云(yun)中被壓(ya)縮，速度極端地減慢，這(zhe)時關(guan)掉(diao)控(kong)制(zhi)用(yong)激光(guang)(guang)(guang)，脈(mo)沖(chong)(chong)(chong)光(guang)(guang)(guang)隨之消失，載在(zai)脈(mo)沖(chong)(chong)(chong)光(guang)(guang)(guang)上的(de)(de)信(xin)息儲存在(zai)原(yuan)子(zi)(zi)的(de)(de)云(yun)中。接(jie)著(zhu)再(zai)用(yong)控(kong)制(zhi)用(yong)激光(guang)(guang)(guang)照射，脈(mo)沖(chong)(chong)(chong)光(guang)(guang)(guang)恢(hui)復(fu)(fu)，走出原(yuan)子(zi)(zi)的(de)(de)云(yun)中。于是原(yuan)先被壓(ya)縮的(de)(de)脈(mo)沖(chong)(chong)(chong)重新又展(zhan)寬，速度復(fu)(fu)原(yuan)。脈(mo)沖(chong)(chong)(chong)光(guang)(guang)(guang)信(xin)息錄入(ru)原(yuan)子(zi)(zi)云(yun)中的(de)(de)整(zheng)個(ge)過(guo)程與計算機(ji)(ji)中的(de)(de)讀取、儲存、復(fu)(fu)位(wei)是何(he)等(deng)地相似，因此這(zhe)個(ge)技術有助于量子(zi)(zi)計算機(ji)(ji)的(de)(de)實現。

從(cong)“飛(fei)秒(miao)”到“阿秒(miao)”的世界

飛(fei)秒已(yi)經超(chao)乎(hu)我(wo)們的(de)(de)(de)想(xiang)像。現在(zai)我(wo)們又涉足比飛(fei)秒更(geng)短(duan)(duan)的(de)(de)(de)“阿(a)(a)秒”世界。阿(a)(a)是國際(ji)單(dan)位制詞頭(tou)阿(a)(a)托(atto)的(de)(de)(de)縮寫。1阿(a)(a)秒=1×10^-18秒=千分(fen)之一飛(fei)秒。阿(a)(a)秒脈沖(chong)不(bu)能用(yong)(yong)(yong)可見光(guang)制造，因(yin)為(wei)縮短(duan)(duan)脈沖(chong)必(bi)須使用(yong)(yong)(yong)更(geng)短(duan)(duan)波長(chang)的(de)(de)(de)光(guang)。例如(ru)想(xiang)用(yong)(yong)(yong)紅色可見光(guang)制造脈沖(chong)的(de)(de)(de)情形，不(bu)可能制造比那個波長(chang)更(geng)短(duan)(duan)的(de)(de)(de)脈沖(chong)。可見光(guang)是2飛(fei)秒左右的(de)(de)(de)界限，為(wei)此阿(a)(a)秒的(de)(de)(de)脈沖(chong)用(yong)(yong)(yong)波長(chang)更(geng)短(duan)(duan)的(de)(de)(de)x射線(xian)或伽馬射線(xian)。使用(yong)(yong)(yong)阿(a)(a)秒x射線(xian)脈沖(chong)，將來能發現什么(me)還不(bu)清楚。例如(ru)使用(yong)(yong)(yong)阿(a)(a)秒之間閃(shan)光(guang)將生物(wu)分(fen)子(zi)可視化，在(zai)極短(duan)(duan)的(de)(de)(de)時間尺度下能夠觀察其活動，或許(xu)還能查(cha)明生物(wu)分(fen)子(zi)的(de)(de)(de)結構。

（來源(yuan)：網(wang)絡(luo)，版權(quan)歸原作者(zhe)，若(ruo)有(you)侵權(quan)請聯系刪(shan)除(chu)）