作者：周安健 方少波 邱成利

本文選自《物理》2022年第3期

圖1 方少波主題報告現場

《左傳(chuan) 》有雲(yun) ：“光，遠而自他有燿者也。”光是生生萬(wan) 物的熱量來源，是視覺世界的物質基礎，自古以來就被無數好奇而智慧的人們(men) 所關(guan) 注。但是，無論研究多甚、了解幾何，光依舊遙不可及，“可遠觀而不可褻(xie) 玩焉”。隨著當代科學技術的發展，人們(men) 基於(yu) 愛因斯坦的理論，製造出了能夠實現受激輻射光放大的機器，使這股神秘而強大的力量盡在掌握。陽春布德澤，萬(wan) 物生光暉。凜冬已逝的北京也迎來了本年度第一次科學咖啡館活動。

2022年2月28日晚上，由科技部人才與(yu) 科普司、中國科學院科學傳(chuan) 播局支持，中國科學院物理研究所承辦的第55期科學咖啡館活動成功舉(ju) 行。本次活動的主持人為(wei) 中國科學院科學傳(chuan) 播研究中心副主任邱成利，主講人為(wei) 中國科學院物理研究所副研究員方少波。本次活動以“和時間賽跑的激光”為(wei) 主題，從(cong) “時間”的角度切入，講解了超快光學的發展曆史和在不同領域的應用，生動地呈現了人們(men) 利用激光來改造世界的努力。

光與(yu) 時間

時間的計量往往需要以一個(ge) 已知事件發生的時間過程作為(wei) 快與(yu) 慢的參考。例如古代的日晷，就是利用晝夜更替來呈現時間的變化。這個(ge) 參考事件發生的時間過程越快，我們(men) 的時間計量會(hui) 越精準。

在影像攝製領域中，相機利用快門的一開一合來實現曝光，即對瞬間影像的記錄，就是上述原理的一個(ge) 表現。如果快門速度不夠快，即拍攝對象在快門一開一合的瞬間發生了更快速的運動變化，相機所記錄的影像就會(hui) 模糊，從(cong) 而無法顯示運動物體(ti) 的真正過程，也就無法清晰地展現在這一瞬間拍攝對象究竟發生了哪些變化。

為(wei) 了說明這個(ge) 現象，1872年，美國加州有一個(ge) 富豪，就曾提出過，賽馬在奔跑的過程中，有沒有四腳離地的瞬間？他找到了當時一位特別有名的藝術家，叫艾德沃爾，我們(men) 今天稱之為(wei) 攝影師，但當時影像技術才剛剛發展起來，還沒有所謂的攝影，更別提高速攝影了。富豪希望艾德沃爾給他拍一組照片，記錄馬在奔跑時每個(ge) 馬蹄的離地狀態，是否始終有一個(ge) 腳踩在地上。這樣的照片連拍，現在我們(men) 用手機都可以輕鬆實現，但當時他為(wei) 了完成這個(ge) 工作，花了近兩(liang) 年的時間。因為(wei) 當時的機械快門隻能達到0.1 s的開合速度，想要拍攝快速運動的馬蹄非常困難。最後，照片呈現的結果是，馬在奔跑的時候確實會(hui) 四腳離地。可以想象，如果快門速度不夠快，沒有拍攝到四腳離地的照片，我們(men) 就無法正確認識賽馬奔跑的運動過程。

設想如果我們(men) 在一間全黑的屋裏，相機快門始終打開，不再用這種機械的方式一開一合……當光亮的時候，相當於(yu) 快門打開了，光滅的時候，快門關(guan) 閉了。利用這種光脈衝(chong) 的方式來替代之前的機械快門，就可以做得相對比較快。這樣的光快門能快到什麽(me) 程度？又能看到哪些更快的東(dong) 西？讓我們(men) 拭目以待。

利用毫秒量級的光脈衝(chong) ，可以定格昆蟲扇動翅膀的瞬間；到了微秒量級，基本上可以看得到子彈出膛的慢動作；如果到納秒量級，連續慢動作的子彈幾乎被定格了，人們(men) 能夠觀測電路中的電流變化；到了皮秒和飛秒量級，許多分子的轉動與(yu) 振動都能清晰體(ti) 現出來；如果光脈衝(chong) 的時間尺度再縮短千分之一，達到阿秒量級，分子的瞬間影像都會(hui) 被定格，人們(men) 有希望看到原子核外的電子運動，即單一電子的行為(wei) 。有了更快的快門，就可以看清楚更快的世界，這也是從(cong) 事超快光學科研工作者的初衷：一方麵是追求極限，另一方麵則是揭示大千世界中令人好奇的美妙瞬間。

激光的誕生

激光的全稱是受激輻射光放大(light amplification by stimulated emission of radiation，LASER)，其理論基礎可追溯到1917年愛因斯坦發表的《On the Quantum Theory of Radiation》，隻是當時還沒有激光或受激輻射光放大的說法。當時理論預言，當一個(ge) 光子激發原子時，有可能激發出兩(liang) 個(ge) 頻率相同的光子，這些光子再次激發原子就可能激發出更多的頻率相同的光子，呈現出一個(ge) 放大的效果。愛因斯坦預言，在雙能級理論模型中，光與(yu) 物質相互作用的過程中，有可能會(hui) 把光放大。

我們(men) 知道光是一種電磁波，在發明激光之前，人們(men) 首先在電磁波的微波波段發明了受激輻射微波放大器。激光的英文是Laser，L表示Light，而受激輻射微波放大器的英文是Maser，M表示Microwave，說明是在微波波段。Maser的發明，還有中國人的貢獻在裏麵。在世界上第一台微波激射器的合影中，如圖2所示，照片的最右邊有一個(ge) 不太起眼的中國人麵孔，他就是中國科學院物理研究所的老前輩王天眷先生。

圖2 世界上第一台微波激射器

在做出了Maser之後，所有人都在競賽，看誰能夠先把這樣的放大器從(cong) 微波波段做到光學波段。最終，美國科學家梅曼於(yu) 1960年5月16日做出了世界上第一台激光器。2018年聯合國教科文組織通過了每年的5月16日為(wei) “國際光日”。產(chan) 生激光之後，Laser有各種各樣的翻譯，有的翻譯成“死光”，有的音譯成“鐳射”。在1964年嚴(yan) 濟慈先生主持的第三屆光量子放大器學術會(hui) 議上，錢學森先生的建議被正式采納，將“受激輻射光放大”的Laser翻譯為(wei) “激光”。

而超快激光因為(wei) 它的脈衝(chong) 時間寬度特別短，所以也叫做超短脈衝(chong) 激光。最初梅曼的激光器是以毫秒量級閃耀，也就是一個(ge) 脈衝(chong) 的時間寬度有幾個(ge) 毫秒。隨著激光技術的進步，脈衝(chong) 寬度越來越窄，達到了微秒、納秒、皮秒和飛秒級，後來甚至實現了阿秒脈衝(chong) 。目前最短的飛秒激光大概在幾個(ge) 飛秒左右。然後以這樣的飛秒激光去產(chan) 生或驅動所謂的阿秒光源，可以達到幾十個(ge) 阿秒。

激光的應用

這樣一種強大的力量，能夠為(wei) 我們(men) 的生活帶來哪些便利？中國林業(ye) 科學院濕地研究所助理研究員李惠鑫問：“激光在我們(men) 的日常生活當中有哪些作用？”主講人指出，激光的應用特別多。像課堂或者會(hui) 議室裏最常見的激光筆就是一種小型的激光器。激光在醫學中的應用與(yu) 我們(men) 的生活也較為(wei) 接近，國際上很早就開始把激光技術應用到醫療領域，如激光在眼科和皮膚科等領域都獲得了非常成功的應用。近年來，隨著光學傳(chuan) 感技術的快速發展，激光技術與(yu) 內(nei) 窺技術相結合，在組織診療等領域得到廣泛應用，取得了比較豐(feng) 碩的成果。此外激光在通訊傳(chuan) 媒、科學研究、智能製造、國防軍(jun) 事等領域也有廣泛的應用。與(yu) 普通光源相比，激光的方向性、單色性和相幹性都特別好，亮度也顯著更高，因此被稱為(wei) “最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”。

在熱烈的討論中，本次科學咖啡館活動也漸入尾聲。中國科學院科學傳(chuan) 播局的周德進局長在最後的總結中指出，激光技術作為(wei) 一種先進的光學技術，未來可能會(hui) 和磁學、聲學、電子學等各種各樣的技術進行融合，希望激光能夠照亮我們(men) 生活的方方麵麵。

圖3 科普活動與(yu) 會(hui) 嘉賓合影