干货：一文看懂飞秒激光器！

飞秒激光器是仅以千兆分之一秒左右的超短时间放光的“超短脉冲光”发生装置。飞是国际单位制词头飞托(femto)的缩写，1飞秒=1×10^-15秒。所谓脉冲光是仅在一瞬间放光。照相机的闪光的发光时间是1微秒左右，所以飞秒的超短脉冲光只有其10亿分之一左右的时间放光。众所周知，光速是以30万千米每秒(1秒间绕地球7周半)无与伦比快的速度飞驰而过，但是在1飞秒期间连光也只不过前进了0.3微米。

通常，我们用闪光摄影能够剪下活动物体的瞬间状态。同样如果用飞秒激光器闪光，则连以剧烈速度进行化学反应的过程，都有可能看到其反应的每个片断。为此，可以使用飞秒激光器来研究化学反应之谜。

一般的化学反应是在经过能量高的中间状态，即所谓的“活性化状态”后进行。活性化状态的存在早在1889年已由化学家阿雷尼厄斯从理论上预言，但是因为是在极短瞬间存在，所以无法直接地观察。但是1980年代末通过飞秒激光器直接证明了它的存在，这是用飞秒激光器查明化学反应的一个例子。如环戊酮分子经活性化状态分解为一氧化碳与2个乙烯分子。

现在飞秒激光器还应用于物理、化学、生命科学、医学、工程等广泛领域，特别是光与电子携手，期待在通信或计算机、能源领域开辟各种新的可能性。这是因为光的强度几乎可以毫不损耗地从一地到另一地传输大量信息，使光通信进一步高速化。在核物理学的领域，飞秒激光器带来了巨大冲击。因为脉冲光具有非常强的电场，在1飞秒内有可能将电子加速到接近光速，所以，能够用于加速电子的“加速器”。

在医学上的应用

如上所述，在飞秒内的世界连光都被冻结得无法前进很远，但是即使这个时间尺度，在物质中的原子、分子以及计算机芯片内部的电子在电路内依旧运动。如果使用飞秒脉冲就能让其瞬间止住，研究发生了什么。除了闪光让时间止住外，飞秒激光器还能够在金属上钻出直径最小达200纳米(万分之二毫米)的微孔。这意味短时间内被压缩锁定在里面的超短脉冲光获得超高输出的惊人效果，而且对周围不产生额外损伤。再者，飞秒激光器的脉冲光能够极精细地拍摄对象的立体图像。立体图像摄影在医学诊断上具有非常用途，由此开辟了一门称之为光干涉断层学的新的研究领域。这是利用飞秒激光器拍摄活的组织、活的细胞的立体图像。例如，用非常短脉冲光对准皮肤，脉冲光在皮肤表面反射，有部分脉冲光射入皮肤中。皮肤内部由许多层构成，射入皮肤的脉冲光作为小脉冲光被弹回，从反射光中这些形形色色的脉冲光的回波，能够知道皮肤内部的构造。

此外，这项技术在眼科医学中有很大的实用性，能够拍摄眼睛深处视网膜的立体图像。医生以此能够诊断其组织是否有问题。这种检查不仅限于眼睛，如果用光纤将激光器送入体内的话，能够检查体内的各种器官的所有组织，将来甚至有可能检查是否变成了癌。

实现超精密时钟

科学家认为，如果使用可见光制成飞秒激光器的时钟，则能够比原子钟更精密地测定时间，并且在今后几年将作为世界最精确的时钟。如果时钟精确，那么也大大提高了用于汽车导航的GPS(全球定位系统)的精度。

为什么可见光能制造精确的时钟呢?一切钟表少不了摆和齿轮作运动，通过具有精确振动频率的摆的摆动，使齿轮转动秒钟，精确时钟也不例外。所以，要制造更精确的时钟，有必要使用更高振动频率的摆。石英钟(用晶体振荡代替摆的钟)比摆钟更准确，那是由于石英谐振器每秒振荡次数更多。

现在作为时间标准的铯原子钟，其振荡频率约是9.2吉赫(国际单位吉伽的词头，1吉=10^9)。原子钟是利用铯原子的固有振荡频率，用其振荡频率一致的微波代替摆，其精度是几千万年只差1秒。相比之下，可见光具有比微波振荡频率高出10万～100万倍的振荡频率，即用可见光能制造出精度高出原子钟百万倍的精密钟。现在已在实验室成功造出利用可见光的世界上最精确的钟。

借助这个精确钟可以验证爱因斯坦的相对论。我们将这样精确的钟一个放在实验室里，另一个放在楼下的办公室里，考虑可能出现的情况，经过一、二个小时后，结果正如爱因斯坦相对论所预言的那样，由于二层之间有不同的“引力场”，两个钟不再指向同一时间，楼下的钟比楼上的钟走得慢。如果用更精确的钟，或许那天连戴在手腕和脚踝上的表的时间都不一样。我们借助精确的钟表就能简单地体验到相对论的魅力。

光速减慢技术

1999年美国哈巴特大学的莱纳·豪教授成功地将光减速到每秒17米，是汽车都能追上的速度，其后又成功地减速到连自行车都能追上的程度。这个实验涉及物理学最前沿的研究，在本文仅介绍实验取得成功的两个关键。一个是构筑接近绝对零度(-273.15℃)极低温的钠原子的“云”，即称之玻色一爱因斯坦凝聚体的特殊气体状态。另一个是调节振动频率的激光(控制用激光)，用它照射钠原子的云，结果发生了不可思议的事情。

科学家首先借助控制用激光使脉冲光在原子的云中被压缩，速度极端地减慢，这时关掉控制用激光，脉冲光随之消失，载在脉冲光上的信息储存在原子的云中。接着再用控制用激光照射，脉冲光恢复，走出原子的云中。于是原先被压缩的脉冲重新又展宽，速度复原。脉冲光信息录入原子云中的整个过程与计算机中的读取、储存、复位是何等地相似，因此这个技术有助于量子计算机的实现。

从“飞秒”到“阿秒”的世界

飞秒已经超乎我们的想像。现在我们又涉足比飞秒更短的“阿秒”世界。阿是国际单位制词头阿托(atto)的缩写。1阿秒=1×10^-18秒=千分之一飞秒。阿秒脉冲不能用可见光制造，因为缩短脉冲必须使用更短波长的光。例如想用红色可见光制造脉冲的情形，不可能制造比那个波长更短的脉冲。可见光是2飞秒左右的界限，为此阿秒的脉冲用波长更短的x射线或伽马射线。使用阿秒x射线脉冲，将来能发现什么还不清楚。例如使用阿秒之间闪光将生物分子可视化，在极短的时间尺度下能够观察其活动，或许还能查明生物分子的结构。

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