超快光學：沒有最快，只有更快

撰文/李焱 施可彬 彭良友（北京大學）

本文選自《知識就是力量》雜誌

拍照，對於很多人來說

很熟悉也很簡單，

拿起手機就可以記錄下此時此刻。

但你知道

如何對超快運動過程進行拍照嗎？

答案是採用超短激光！

激光是20世界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發揮著巨大的作用，可以用於製造超快的相機、超準的時鐘。今天，我們就來一窺廬山真面吧！

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衝激光。顧名思義，脈衝激光輸出的光是不連續的，而是一個個脈衝，科學家們將脈衝持續的時間稱為「脈衝寬度」。

長脈衝（左）、短脈衝（右）

激光發明後不久，調Q技術（將激光能量壓縮到寬度極窄的脈衝中，從而使激光光源的峰值功率提高几個數量級）就產生出納秒級的激光脈衝。後來，鎖模技術（用於產生極短時間激光脈衝的技術）又將脈衝寬度縮短到皮秒（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，超短激光脈衝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衝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衝擊「最小脈衝寬度」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，只能採用比此過程更短的閃光進行拍照。而超短激光脈衝就像一個超快的閃光燈，由於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並記錄下來，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，不得不藉助超短激光。

超強的光

極短的脈衝寬度，不僅使超短激光脈衝具備超快的時間測量能力，還能使看起來微不足道的單脈衝能量，產生億瓦級的峰值功率（能量除以脈衝寬度）。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，在台式化加速器、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，已經在先進位造和生物醫學等領域得到廣泛的應用。

人們在醫院接受飛秒激光視力矯正治療

激光的高強度使它能精準、輕鬆地切割金屬板

超準的鍾

飛秒激光脈衝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「光鍾」，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鍾。假設它在地球誕生之初就開始工作，那麼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。

中國研製的光鍾

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衝或者它們的組合，去探測或者控制原子分子內部的這些動力學過程。

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