超快光學(xué)：沒有最快，只有更快

李焱+施可彬+彭良友

編者按：同學(xué)們?cè)谌私贪姘四昙?jí)《物理》上冊(cè)會(huì)學(xué)到光現(xiàn)象，那么你們知道如何對(duì)超快運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行拍照嗎？就是采用超短激光。激光是20世紀(jì)人類的重大發(fā)明之一，被稱為超亮的光。超短激光在我們的生活中能發(fā)揮巨大的作用，可以用于制造超快的相機(jī)、超準(zhǔn)的時(shí)鐘。下面，我們就來一窺其廬山真面目吧！

超短激光技術(shù)的發(fā)展

激光按工作方式可分為連續(xù)激光和脈沖激光。顧名思義，脈沖激光輸出的光是不連續(xù)的，而是一個(gè)個(gè)脈沖，科學(xué)家們將脈沖持續(xù)的時(shí)間稱為脈沖寬度。

激光發(fā)明后不久，調(diào)Q技術(shù)（將激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中，從而使激光光源的峰值功率提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)）就產(chǎn)生出納秒級(jí)的激光脈沖。后來，鎖模技術(shù)（用于產(chǎn)生極短時(shí)間激光脈沖的技術(shù)）又將脈沖寬度縮短到皮秒（10-12秒）量級(jí)。

到了20世紀(jì)80年代，飛秒（10-15秒）量級(jí)激光登場(chǎng)。近年來，超短激光脈沖的寬度進(jìn)一步縮短到令人驚訝的阿秒（10-18秒）量級(jí)。目前，阿秒激光多是通過高功率超短飛秒激光脈沖與氣體相作用而輻射出的高次諧波（頻率為原信號(hào)頻率兩倍及以上的新輻射）產(chǎn)生的。

激光技術(shù)的發(fā)展不斷沖擊“最小脈沖寬度”的極限，真可謂“沒有最快，只有更快”。超快超強(qiáng)光學(xué)和其他相關(guān)學(xué)科也隨之不斷被推向新的發(fā)展高度。

超快的光

我們知道，要想探測(cè)隨時(shí)間變化的一個(gè)快速過程，只能采用比此過程更短的閃光進(jìn)行拍照。而超短激光脈沖就像一個(gè)超快的閃光燈，由于它的閃光過程非常短，因此微觀世界的動(dòng)態(tài)過程就可以被一個(gè)個(gè)閃光照亮并記錄下來，就像在時(shí)間上提供了一把具有極小刻度的標(biāo)尺。

原子和分子是組成物質(zhì)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(yùn)動(dòng)。原子核間的轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生在皮秒量級(jí)、振動(dòng)發(fā)生在飛秒量級(jí)，而電子在原子分子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)通常發(fā)生在阿秒量級(jí)，例如氫原子里基態(tài)電子繞原子核運(yùn)動(dòng)一圈的時(shí)間大約是150阿秒。人們要了解這些過程，不得不借助超短激光。

超強(qiáng)的光

極短的脈沖寬度，不僅使超短激光脈沖具備超快的時(shí)間測(cè)量能力，還能使看起來微不足道的單脈沖能量，產(chǎn)生億瓦級(jí)的峰值功率（能量除以脈沖寬度）。目前，科學(xué)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(chǎn)生接近太陽內(nèi)部強(qiáng)度的電磁場(chǎng)環(huán)境。

超強(qiáng)激光為強(qiáng)電磁場(chǎng)下的物理和化學(xué)過程研究提供了獨(dú)一無二的科學(xué)工具，在臺(tái)式化加速器、激光聚變、核物理與核醫(yī)學(xué)、高能物理等領(lǐng)域均有重大應(yīng)用價(jià)值。如今，飛秒激光具有在低能量下獲得高強(qiáng)度的特點(diǎn)，已經(jīng)在先進(jìn)制造和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

超準(zhǔn)的鐘

飛秒激光脈沖是通過鎖模技術(shù)將千百萬個(gè)不同顏色的激光協(xié)同起來而產(chǎn)生的，這些不同的電磁波呈現(xiàn)出嚴(yán)格精確同步的波動(dòng)行為，為精密測(cè)量提供了一種優(yōu)秀的頻率標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在，各國(guó)都在競(jìng)相發(fā)展超準(zhǔn)的“光鐘”，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(zhǔn)，將單一頻率的光學(xué)振蕩利用飛秒激光光學(xué)頻率梳技術(shù)，傳遞到其他光學(xué)波段進(jìn)行計(jì)數(shù)，其計(jì)時(shí)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(zhǔn)的時(shí)鐘就是光鐘。假設(shè)它在地球誕生之初就開始工作，那么運(yùn)行到現(xiàn)在的偏差也不會(huì)超過1秒。這種超準(zhǔn)的計(jì)時(shí)技術(shù)，使GPS 等系統(tǒng)的定位精度被推進(jìn)到厘米量級(jí)。

知識(shí)鏈接：

美國(guó)加州理工學(xué)院的科學(xué)家澤維爾，正是因?yàn)槔蔑w秒激光“目睹了分子的誕生和死亡（化學(xué)反應(yīng)中分子的形成和分解）”而獲得了1999 年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，從而帶動(dòng)了飛秒化學(xué)和飛秒物理等領(lǐng)域的快速發(fā)展。當(dāng)前，國(guó)際研究中的一些前沿問題，就是利用超快的飛秒或阿秒脈沖或者它們的組合，去探測(cè)或者控制原子分子內(nèi)部的這些動(dòng)力學(xué)過程。endprint