飞秒(miǎo)激光器是仅以千兆分(fēn)之一秒(miǎo)左右的超短时间放光的“超短脉冲光”发生装置。飞是國(guó)际单位制词头飞托(femto)的缩写，1飞秒(miǎo)=1×10^-15秒(miǎo)。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(miǎo)左右，所以飞秒(miǎo)的超短脉冲光只有(yǒu)其10亿分(fēn)之一左右的时间放光。众所周知，光速是以30万千米每秒(miǎo)(1秒(miǎo)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(miǎo)期间连光也只不过前进了0.3微米。

通常，我们用(yòng)闪光摄影能(néng)够剪下活动物(wù)體(tǐ)的瞬间状态。同样如果用(yòng)飞秒(miǎo)激光器闪光，则连以剧烈速度进行化學(xué)反应的过程，都有(yǒu)可(kě)能(néng)看到其反应的每个片断。為(wèi)此，可(kě)以使用(yòng)飞秒(miǎo)激光器来研究化學(xué)反应之谜。

一般的化學(xué)反应是在经过能(néng)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年已由化學(xué)家阿雷尼厄斯从理(lǐ)论上预言，但是因為(wèi)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(miǎo)激光器直接证明了它的存在，这是用(yòng)飞秒(miǎo)激光器查明化學(xué)反应的一个例子。如环戊酮分(fēn)子经活性化状态分(fēn)解為(wèi)一氧化碳与2个乙烯分(fēn)子。

现在飞秒(miǎo)激光器还应用(yòng)于物(wù)理(lǐ)、化學(xué)、生命科(kē)學(xué)、医學(xué)、工程等广泛领域，特别是光与電(diàn)子携手，期待在通信或计算机、能(néng)源领域开辟各种新(xīn)的可(kě)能(néng)性。这是因為(wèi)光的强度几乎可(kě)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(wù)理(lǐ)學(xué)的领域，飞秒(miǎo)激光器带来了巨大冲击。因為(wèi)脉冲光具有(yǒu)非常强的電(diàn)场，在1飞秒(miǎo)内有(yǒu)可(kě)能(néng)将電(diàn)子加速到接近光速，所以，能(néng)够用(yòng)于加速電(diàn)子的“加速器”。

在医學(xué)上的应用(yòng)

如上所述，在飞秒(miǎo)内的世界连光都被冻结得无法前进很(hěn)遠(yuǎn)，但是即使这个时间尺度，在物(wù)质中的原子、分(fēn)子以及计算机芯片内部的電(diàn)子在電(diàn)路内依旧运动。如果使用(yòng)飞秒(miǎo)脉冲就能(néng)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(miǎo)激光器还能(néng)够在金属上钻出直径最小(xiǎo)达200纳米(万分(fēn)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(miǎo)激光器的脉冲光能(néng)够极精细地拍摄对象的立體(tǐ)图像。立體(tǐ)图像摄影在医學(xué)诊断上具有(yǒu)非常用(yòng)途，由此开辟了一门称之為(wèi)光干涉断层學(xué)的新(xīn)的研究领域。这是利用(yòng)飞秒(miǎo)激光器拍摄活的组织、活的细胞的立體(tǐ)图像。例如，用(yòng)非常短脉冲光对准皮肤，脉冲光在皮肤表面反射，有(yǒu)部分(fēn)脉冲光射入皮肤中。皮肤内部由许多(duō)层构成，射入皮肤的脉冲光作為(wèi)小(xiǎo)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(néng)够知道皮肤内部的构造。

此外，这项技术在眼科(kē)医學(xué)中有(yǒu)很(hěn)大的实用(yòng)性，能(néng)够拍摄眼睛深处视网膜的立體(tǐ)图像。医生以此能(néng)够诊断其组织是否有(yǒu)问题。这种检查不仅限于眼睛，如果用(yòng)光纤将激光器送入體(tǐ)内的话，能(néng)够检查體(tǐ)内的各种器官的所有(yǒu)组织，将来甚至有(yǒu)可(kě)能(néng)检查是否变成了癌。

实现超精密时钟

科(kē)學(xué)家认為(wèi)，如果使用(yòng)可(kě)见光制成飞秒(miǎo)激光器的时钟，则能(néng)够比原子钟更精密地测定时间，并且在今后几年将作為(wèi)世界最精确的时钟。如果时钟精确，那么也大大提高了用(yòng)于汽車(chē)导航的GPS(全球定位系统)的精度。

為(wèi)什么可(kě)见光能(néng)制造精确的时钟呢(ne)?一切钟表少不了摆和齿轮作运动，通过具有(yǒu)精确振动频率的摆的摆动，使齿轮转动秒(miǎo)钟，精确时钟也不例外。所以，要制造更精确的时钟，有(yǒu)必要使用(yòng)更高振动频率的摆。石英钟(用(yòng)晶體(tǐ)振荡代替摆的钟)比摆钟更准确，那是由于石英谐振器每秒(miǎo)振荡次数更多(duō)。

现在作為(wèi)时间标准的铯原子钟，其振荡频率约是9.2吉赫(國(guó)际单位吉伽的词头，1吉=10^9)。原子钟是利用(yòng)铯原子的固有(yǒu)振荡频率，用(yòng)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(miǎo)。相比之下，可(kě)见光具有(yǒu)比微波振荡频率高出10万～100万倍的振荡频率，即用(yòng)可(kě)见光能(néng)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(yòng)可(kě)见光的世界上最精确的钟。

借助这个精确钟可(kě)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(kě)能(néng)出现的情况，经过一、二个小(xiǎo)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(yǒu)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(yòng)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(néng)简单地體(tǐ)验到相对论的魅力。

光速减慢技术

1999年美國(guó)哈巴特大學(xué)的莱纳·豪教授成功地将光减速到每秒(miǎo)17米，是汽車(chē)都能(néng)追上的速度，其后又(yòu)成功地减速到连自行車(chē)都能(néng)追上的程度。这个实验涉及物(wù)理(lǐ)學(xué)最前沿的研究，在本文(wén)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體(tǐ)的特殊气體(tǐ)状态。另一个是调节振动频率的激光(控制用(yòng)激光)，用(yòng)它照射钠原子的云，结果发生了不可(kě)思议的事情。

科(kē)學(xué)家首先借助控制用(yòng)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(yòng)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(yòng)控制用(yòng)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(xīn)又(yòu)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(yǒu)助于量子计算机的实现。

从“飞秒(miǎo)”到“阿秒(miǎo)”的世界

飞秒(miǎo)已经超乎我们的想像。现在我们又(yòu)涉足比飞秒(miǎo)更短的“阿秒(miǎo)”世界。阿是國(guó)际单位制词头阿托(atto)的缩写。1阿秒(miǎo)=1×10^-18秒(miǎo)=千分(fēn)之一飞秒(miǎo)。阿秒(miǎo)脉冲不能(néng)用(yòng)可(kě)见光制造，因為(wèi)缩短脉冲必须使用(yòng)更短波長(cháng)的光。例如想用(yòng)红色可(kě)见光制造脉冲的情形，不可(kě)能(néng)制造比那个波長(cháng)更短的脉冲。可(kě)见光是2飞秒(miǎo)左右的界限，為(wèi)此阿秒(miǎo)的脉冲用(yòng)波長(cháng)更短的x射線(xiàn)或伽马射線(xiàn)。使用(yòng)阿秒(miǎo)x射線(xiàn)脉冲，将来能(néng)发现什么还不清楚。例如使用(yòng)阿秒(miǎo)之间闪光将生物(wù)分(fēn)子可(kě)视化，在极短的时间尺度下能(néng)够观察其活动，或许还能(néng)查明生物(wù)分(fēn)子的结构。

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