飛(fei)秒(miao)(miao)(miao)激光器是僅以(yi)千兆分(fen)之一秒(miao)(miao)(miao)左右(you)的超短(duan)時間(jian)(jian)(jian)放光的“超短(duan)脈沖光”發(fa)生裝置。飛(fei)是國際單(dan)位制詞頭飛(fei)托(femto)的縮寫(xie)，1飛(fei)秒(miao)(miao)(miao)=1×10^-15秒(miao)(miao)(miao)。所(suo)謂脈沖光是僅在一瞬間(jian)(jian)(jian)放光。照相機的閃光的發(fa)光時間(jian)(jian)(jian)是1微秒(miao)(miao)(miao)左右(you)，所(suo)以(yi)飛(fei)秒(miao)(miao)(miao)的超短(duan)脈沖光只有其10億(yi)分(fen)之一左右(you)的時間(jian)(jian)(jian)放光。眾所(suo)周(zhou)知，光速(su)是以(yi)30萬千米(mi)每秒(miao)(miao)(miao)(1秒(miao)(miao)(miao)間(jian)(jian)(jian)繞(rao)地球7周(zhou)半)無與(yu)倫比快的速(su)度飛(fei)馳而過，但(dan)是在1飛(fei)秒(miao)(miao)(miao)期間(jian)(jian)(jian)連光也只不過前進了0.3微米(mi)。

通常，我們用閃(shan)光攝影能夠剪下活動物(wu)體的(de)瞬間狀態。同樣如果用飛(fei)秒激(ji)(ji)光器(qi)閃(shan)光，則連以劇烈速度進行化(hua)(hua)學反(fan)應(ying)(ying)的(de)過程，都有可能看到其反(fan)應(ying)(ying)的(de)每個片斷。為此(ci)，可以使用飛(fei)秒激(ji)(ji)光器(qi)來研究化(hua)(hua)學反(fan)應(ying)(ying)之(zhi)謎。

一般(ban)的(de)化(hua)(hua)學(xue)反應是(shi)(shi)在(zai)經過(guo)能(neng)量高的(de)中間(jian)狀態(tai)(tai)，即所謂的(de)“活(huo)性化(hua)(hua)狀態(tai)(tai)”后進行。活(huo)性化(hua)(hua)狀態(tai)(tai)的(de)存(cun)在(zai)早在(zai)1889年已由化(hua)(hua)學(xue)家阿雷尼厄(e)斯從理論上預言(yan)，但是(shi)(shi)因(yin)為(wei)(wei)是(shi)(shi)在(zai)極短瞬間(jian)存(cun)在(zai)，所以無法(fa)直接地觀察。但是(shi)(shi)1980年代(dai)末通(tong)過(guo)飛秒(miao)激光器直接證明了它的(de)存(cun)在(zai)，這是(shi)(shi)用飛秒(miao)激光器查明化(hua)(hua)學(xue)反應的(de)一個例子(zi)。如環戊酮分(fen)子(zi)經活(huo)性化(hua)(hua)狀態(tai)(tai)分(fen)解為(wei)(wei)一氧(yang)化(hua)(hua)碳(tan)與2個乙(yi)烯(xi)分(fen)子(zi)。

現在飛秒(miao)激光(guang)(guang)器(qi)(qi)還應用(yong)于物理(li)、化學、生命科學、醫(yi)學、工(gong)程等廣泛領域，特別(bie)是光(guang)(guang)與電(dian)子(zi)攜手，期待在通(tong)信或計算(suan)機(ji)、能(neng)(neng)源(yuan)領域開辟各種新的可能(neng)(neng)性。這是因為(wei)光(guang)(guang)的強度幾(ji)乎(hu)可以毫不損(sun)耗地(di)從一地(di)到(dao)另一地(di)傳輸大量信息，使光(guang)(guang)通(tong)信進一步高速化。在核(he)物理(li)學的領域，飛秒(miao)激光(guang)(guang)器(qi)(qi)帶來了巨大沖(chong)擊(ji)。因為(wei)脈沖(chong)光(guang)(guang)具有非(fei)常強的電(dian)場，在1飛秒(miao)內有可能(neng)(neng)將電(dian)子(zi)加速到(dao)接(jie)近光(guang)(guang)速，所以，能(neng)(neng)夠用(yong)于加速電(dian)子(zi)的“加速器(qi)(qi)”。

在醫學上的應用

如(ru)(ru)上(shang)所(suo)述，在(zai)(zai)飛(fei)秒(miao)內(nei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)世界連光(guang)(guang)都(dou)被(bei)凍結得無法前(qian)進很遠，但是即使(shi)這(zhe)個(ge)時間尺度(du)，在(zai)(zai)物(wu)質中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)子、分子以及計算(suan)機芯(xin)片內(nei)部的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電子在(zai)(zai)電路內(nei)依舊運動。如(ru)(ru)果使(shi)用飛(fei)秒(miao)脈(mo)(mo)(mo)(mo)沖(chong)就能讓其(qi)瞬間止(zhi)住，研究(jiu)發生(sheng)了(le)(le)什(shen)么(me)。除了(le)(le)閃光(guang)(guang)讓時間止(zhi)住外，飛(fei)秒(miao)激(ji)光(guang)(guang)器(qi)(qi)還能夠在(zai)(zai)金屬上(shang)鉆(zhan)出直徑最小(xiao)達(da)200納米(萬分之二(er)毫(hao)米)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)微孔(kong)。這(zhe)意味短時間內(nei)被(bei)壓(ya)縮鎖定在(zai)(zai)里面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)超(chao)短脈(mo)(mo)(mo)(mo)沖(chong)光(guang)(guang)獲得超(chao)高(gao)輸出的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)驚人效果，而(er)且對(dui)周圍(wei)不產生(sheng)額外損傷。再者，飛(fei)秒(miao)激(ji)光(guang)(guang)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)脈(mo)(mo)(mo)(mo)沖(chong)光(guang)(guang)能夠極精細(xi)地拍(pai)攝(she)對(dui)象的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)立體(ti)(ti)圖像。立體(ti)(ti)圖像攝(she)影(ying)在(zai)(zai)醫學(xue)(xue)診(zhen)斷上(shang)具有非常用途，由此開辟了(le)(le)一門稱(cheng)之為光(guang)(guang)干涉斷層(ceng)學(xue)(xue)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)新的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)研究(jiu)領域。這(zhe)是利用飛(fei)秒(miao)激(ji)光(guang)(guang)器(qi)(qi)拍(pai)攝(she)活(huo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)組(zu)織、活(huo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)細(xi)胞的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)立體(ti)(ti)圖像。例如(ru)(ru)，用非常短脈(mo)(mo)(mo)(mo)沖(chong)光(guang)(guang)對(dui)準皮膚(fu)，脈(mo)(mo)(mo)(mo)沖(chong)光(guang)(guang)在(zai)(zai)皮膚(fu)表面(mian)反射，有部分脈(mo)(mo)(mo)(mo)沖(chong)光(guang)(guang)射入(ru)皮膚(fu)中。皮膚(fu)內(nei)部由許多層(ceng)構成，射入(ru)皮膚(fu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)脈(mo)(mo)(mo)(mo)沖(chong)光(guang)(guang)作為小(xiao)脈(mo)(mo)(mo)(mo)沖(chong)光(guang)(guang)被(bei)彈回，從反射光(guang)(guang)中這(zhe)些形形色(se)色(se)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)脈(mo)(mo)(mo)(mo)沖(chong)光(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)回波，能夠知道皮膚(fu)內(nei)部的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)構造。

此(ci)外，這項技術在眼科醫學中有(you)(you)很大的(de)實(shi)用性(xing)，能(neng)夠(gou)(gou)拍攝(she)眼睛深處視網膜的(de)立體(ti)圖像。醫生以此(ci)能(neng)夠(gou)(gou)診(zhen)斷其組織是否有(you)(you)問題。這種檢查不僅(jin)限(xian)于眼睛，如果用光(guang)纖將激光(guang)器(qi)送入體(ti)內(nei)的(de)話，能(neng)夠(gou)(gou)檢查體(ti)內(nei)的(de)各種器(qi)官的(de)所有(you)(you)組織，將來甚至有(you)(you)可能(neng)檢查是否變成(cheng)了癌。

實現超精密時鐘

科學家(jia)認為，如(ru)果(guo)使用(yong)可見(jian)光(guang)制成飛秒激光(guang)器(qi)的(de)(de)時鐘(zhong)，則能(neng)夠(gou)比原子鐘(zhong)更精密地測定時間(jian)，并且在今后幾(ji)年將作為世界最精確的(de)(de)時鐘(zhong)。如(ru)果(guo)時鐘(zhong)精確，那么也大(da)大(da)提高了(le)用(yong)于(yu)汽車(che)導航的(de)(de)GPS(全(quan)球定位(wei)系統)的(de)(de)精度。

為什么可(ke)見光能制(zhi)造精(jing)(jing)確(que)的(de)(de)(de)時(shi)鐘(zhong)(zhong)(zhong)呢?一切鐘(zhong)(zhong)(zhong)表少不了擺(bai)(bai)(bai)和齒輪作運動，通過具有精(jing)(jing)確(que)振動頻率(lv)的(de)(de)(de)擺(bai)(bai)(bai)的(de)(de)(de)擺(bai)(bai)(bai)動，使(shi)齒輪轉動秒鐘(zhong)(zhong)(zhong)，精(jing)(jing)確(que)時(shi)鐘(zhong)(zhong)(zhong)也不例外。所以，要制(zhi)造更(geng)(geng)精(jing)(jing)確(que)的(de)(de)(de)時(shi)鐘(zhong)(zhong)(zhong)，有必要使(shi)用(yong)更(geng)(geng)高振動頻率(lv)的(de)(de)(de)擺(bai)(bai)(bai)。石英鐘(zhong)(zhong)(zhong)(用(yong)晶體振蕩代(dai)替(ti)擺(bai)(bai)(bai)的(de)(de)(de)鐘(zhong)(zhong)(zhong))比擺(bai)(bai)(bai)鐘(zhong)(zhong)(zhong)更(geng)(geng)準確(que)，那是由于(yu)石英諧振器每(mei)秒振蕩次數(shu)更(geng)(geng)多(duo)。

現在(zai)作為時(shi)間(jian)標(biao)準的(de)銫原(yuan)子(zi)鐘(zhong)，其(qi)振(zhen)蕩(dang)(dang)頻(pin)率(lv)約是9.2吉赫(國(guo)際單位吉伽(jia)的(de)詞頭，1吉=10^9)。原(yuan)子(zi)鐘(zhong)是利用(yong)(yong)銫原(yuan)子(zi)的(de)固有振(zhen)蕩(dang)(dang)頻(pin)率(lv)，用(yong)(yong)其(qi)振(zhen)蕩(dang)(dang)頻(pin)率(lv)一(yi)致(zhi)的(de)微(wei)(wei)波(bo)代(dai)替擺，其(qi)精(jing)度是幾千(qian)萬年只差1秒(miao)。相比之(zhi)下，可(ke)見(jian)光(guang)具有比微(wei)(wei)波(bo)振(zhen)蕩(dang)(dang)頻(pin)率(lv)高出(chu)10萬～100萬倍(bei)的(de)振(zhen)蕩(dang)(dang)頻(pin)率(lv)，即用(yong)(yong)可(ke)見(jian)光(guang)能制造出(chu)精(jing)度高出(chu)原(yuan)子(zi)鐘(zhong)百萬倍(bei)的(de)精(jing)密(mi)鐘(zhong)。現在(zai)已(yi)在(zai)實驗室成功造出(chu)利用(yong)(yong)可(ke)見(jian)光(guang)的(de)世界上最(zui)精(jing)確(que)的(de)鐘(zhong)。

借助這(zhe)個精(jing)確(que)鐘(zhong)可以驗證愛因斯(si)坦(tan)的(de)相對論。我們將這(zhe)樣精(jing)確(que)的(de)鐘(zhong)一個放在(zai)實驗室里，另一個放在(zai)樓下的(de)辦公室里，考慮(lv)可能出現的(de)情況(kuang)，經過一、二個小(xiao)時(shi)后，結(jie)果(guo)正如愛因斯(si)坦(tan)相對論所預言的(de)那樣，由于二層(ceng)之間有不同的(de)“引力場”，兩(liang)個鐘(zhong)不再指(zhi)向(xiang)同一時(shi)間，樓下的(de)鐘(zhong)比樓上(shang)的(de)鐘(zhong)走得慢(man)。如果(guo)用更精(jing)確(que)的(de)鐘(zhong)，或許那天連戴在(zai)手(shou)腕(wan)和(he)腳(jiao)踝上(shang)的(de)表的(de)時(shi)間都不一樣。我們借助精(jing)確(que)的(de)鐘(zhong)表就(jiu)能簡(jian)單地體驗到相對論的(de)魅力。

光速減慢技術

1999年美國哈(ha)巴特(te)大學的(de)(de)萊納·豪教授成功(gong)地將光減速到每秒17米，是(shi)汽車都能追(zhui)上的(de)(de)速度(du)(du)，其后又成功(gong)地減速到連自行車都能追(zhui)上的(de)(de)程(cheng)度(du)(du)。這個(ge)(ge)實驗涉及物理學最前沿的(de)(de)研究，在本文僅介(jie)紹實驗取得成功(gong)的(de)(de)兩(liang)個(ge)(ge)關鍵(jian)。一(yi)個(ge)(ge)是(shi)構筑接近絕對(dui)零(ling)度(du)(du)(-273.15℃)極低溫(wen)的(de)(de)鈉原子(zi)的(de)(de)“云”，即稱之(zhi)玻(bo)色一(yi)愛因(yin)斯坦凝聚體(ti)的(de)(de)特(te)殊氣體(ti)狀態。另一(yi)個(ge)(ge)是(shi)調(diao)節振動頻率的(de)(de)激(ji)光(控制用(yong)激(ji)光)，用(yong)它照射鈉原子(zi)的(de)(de)云，結(jie)果發生了(le)不可思議的(de)(de)事情。

科學家首(shou)先借(jie)助控制用(yong)激光(guang)(guang)(guang)使脈沖光(guang)(guang)(guang)在原(yuan)子的(de)(de)云(yun)中(zhong)被(bei)(bei)壓(ya)縮(suo)，速(su)度(du)極端地(di)減慢，這(zhe)時關掉控制用(yong)激光(guang)(guang)(guang)，脈沖光(guang)(guang)(guang)隨(sui)之消失，載(zai)在脈沖光(guang)(guang)(guang)上(shang)的(de)(de)信息(xi)儲存在原(yuan)子的(de)(de)云(yun)中(zhong)。接(jie)著再用(yong)控制用(yong)激光(guang)(guang)(guang)照(zhao)射，脈沖光(guang)(guang)(guang)恢(hui)復，走出原(yuan)子的(de)(de)云(yun)中(zhong)。于(yu)(yu)是(shi)原(yuan)先被(bei)(bei)壓(ya)縮(suo)的(de)(de)脈沖重新又展寬(kuan)，速(su)度(du)復原(yuan)。脈沖光(guang)(guang)(guang)信息(xi)錄入(ru)原(yuan)子云(yun)中(zhong)的(de)(de)整個過程(cheng)與計算機中(zhong)的(de)(de)讀取(qu)、儲存、復位是(shi)何等(deng)地(di)相(xiang)似，因(yin)此這(zhe)個技術有助于(yu)(yu)量子計算機的(de)(de)實現。

從“飛秒(miao)”到“阿秒(miao)”的世界(jie)

飛秒(miao)已(yi)經超乎我(wo)們的(de)(de)(de)想(xiang)像。現(xian)在我(wo)們又涉足比(bi)飛秒(miao)更(geng)(geng)短(duan)(duan)的(de)(de)(de)“阿(a)(a)(a)秒(miao)”世界。阿(a)(a)(a)是(shi)國際單(dan)位制(zhi)詞頭(tou)阿(a)(a)(a)托(atto)的(de)(de)(de)縮(suo)寫。1阿(a)(a)(a)秒(miao)=1×10^-18秒(miao)=千分(fen)(fen)之一(yi)飛秒(miao)。阿(a)(a)(a)秒(miao)脈(mo)沖(chong)不(bu)(bu)能用(yong)(yong)(yong)可(ke)(ke)見(jian)(jian)光(guang)(guang)制(zhi)造，因(yin)為縮(suo)短(duan)(duan)脈(mo)沖(chong)必(bi)須(xu)使用(yong)(yong)(yong)更(geng)(geng)短(duan)(duan)波(bo)長(chang)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)。例(li)如想(xiang)用(yong)(yong)(yong)紅色可(ke)(ke)見(jian)(jian)光(guang)(guang)制(zhi)造脈(mo)沖(chong)的(de)(de)(de)情形，不(bu)(bu)可(ke)(ke)能制(zhi)造比(bi)那(nei)個波(bo)長(chang)更(geng)(geng)短(duan)(duan)的(de)(de)(de)脈(mo)沖(chong)。可(ke)(ke)見(jian)(jian)光(guang)(guang)是(shi)2飛秒(miao)左右的(de)(de)(de)界限，為此(ci)阿(a)(a)(a)秒(miao)的(de)(de)(de)脈(mo)沖(chong)用(yong)(yong)(yong)波(bo)長(chang)更(geng)(geng)短(duan)(duan)的(de)(de)(de)x射線(xian)或(huo)伽(jia)馬射線(xian)。使用(yong)(yong)(yong)阿(a)(a)(a)秒(miao)x射線(xian)脈(mo)沖(chong)，將(jiang)來能發現(xian)什么還(huan)不(bu)(bu)清楚(chu)。例(li)如使用(yong)(yong)(yong)阿(a)(a)(a)秒(miao)之間閃光(guang)(guang)將(jiang)生物(wu)分(fen)(fen)子可(ke)(ke)視化，在極短(duan)(duan)的(de)(de)(de)時(shi)間尺度下(xia)能夠(gou)觀察其(qi)活動，或(huo)許還(huan)能查明(ming)生物(wu)分(fen)(fen)子的(de)(de)(de)結構。

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