飛秒激光器是僅(jin) 以千兆分之一秒左右的超短時間放光的“超短脈衝(chong) 光”發生裝置。飛是國際單位製詞頭飛托(femto)的縮寫(xie) ，1飛秒=1×10^-15秒。所謂脈衝(chong) 光是僅(jin) 在一瞬間放光。照相機的閃光的發光時間是1微秒左右，所以飛秒的超短脈衝(chong) 光隻有其10億(yi) 分之一左右的時間放光。眾(zhong) 所周知，光速是以30萬(wan) 千米每秒(1秒間繞地球7周半)無與(yu) 倫(lun) 比快的速度飛馳而過，但是在1飛秒期間連光也隻不過前進了0.3微米。

通常，我們(men) 用閃光攝影能夠剪下活動物體(ti) 的瞬間狀態。同樣如果用飛秒激光器閃光，則連以劇烈速度進行化學反應的過程，都有可能看到其反應的每個(ge) 片斷。為(wei) 此，可以使用飛秒激光器來研究化學反應之謎。

一般的化學反應是在經過能量高的中間狀態，即所謂的“活性化狀態”後進行。活性化狀態的存在早在1889年已由化學家阿雷尼厄斯從(cong) 理論上預言，但是因為(wei) 是在極短瞬間存在，所以無法直接地觀察。但是1980年代末通過飛秒激光器直接證明了它的存在，這是用飛秒激光器查明化學反應的一個(ge) 例子。如環戊酮分子經活性化狀態分解為(wei) 一氧化碳與(yu) 2個(ge) 乙烯分子。

現在飛秒激光器還應用於(yu) 物理、化學、生命科學、醫學、工程等廣泛領域，特別是光與(yu) 電子攜手，期待在通信或計算機、能源領域開辟各種新的可能性。這是因為(wei) 光的強度幾乎可以毫不損耗地從(cong) 一地到另一地傳(chuan) 輸大量信息，使光通信進一步高速化。在核物理學的領域，飛秒激光器帶來了巨大衝(chong) 擊。因為(wei) 脈衝(chong) 光具有非常強的電場，在1飛秒內(nei) 有可能將電子加速到接近光速，所以，能夠用於(yu) 加速電子的“加速器”。

在醫學上的應用

如上所述，在飛秒內(nei) 的世界連光都被凍結得無法前進很遠，但是即使這個(ge) 時間尺度，在物質中的原子、分子以及計算機芯片內(nei) 部的電子在電路內(nei) 依舊運動。如果使用飛秒脈衝(chong) 就能讓其瞬間止住，研究發生了什麽(me) 。除了閃光讓時間止住外，飛秒激光器還能夠在金屬上鑽出直徑最小達200納米(萬(wan) 分之二毫米)的微孔。這意味短時間內(nei) 被壓縮鎖定在裏麵的超短脈衝(chong) 光獲得超高輸出的驚人效果，而且對周圍不產(chan) 生額外損傷(shang) 。再者，飛秒激光器的脈衝(chong) 光能夠極精細地拍攝對象的立體(ti) 圖像。立體(ti) 圖像攝影在醫學診斷上具有非常用途，由此開辟了一門稱之為(wei) 光幹涉斷層學的新的研究領域。這是利用飛秒激光器拍攝活的組織、活的細胞的立體(ti) 圖像。例如，用非常短脈衝(chong) 光對準皮膚，脈衝(chong) 光在皮膚表麵反射，有部分脈衝(chong) 光射入皮膚中。皮膚內(nei) 部由許多層構成，射入皮膚的脈衝(chong) 光作為(wei) 小脈衝(chong) 光被彈回，從(cong) 反射光中這些形形色色的脈衝(chong) 光的回波，能夠知道皮膚內(nei) 部的構造。

此外，這項技術在眼科醫學中有很大的實用性，能夠拍攝眼睛深處視網膜的立體(ti) 圖像。醫生以此能夠診斷其組織是否有問題。這種檢查不僅(jin) 限於(yu) 眼睛，如果用光纖將激光器送入體(ti) 內(nei) 的話，能夠檢查體(ti) 內(nei) 的各種器官的所有組織，將來甚至有可能檢查是否變成了癌。

實現超精密時鍾

科學家認為(wei) ，如果使用可見光製成飛秒激光器的時鍾，則能夠比原子鍾更精密地測定時間，並且在今後幾年將作為(wei) 世界最精確的時鍾。如果時鍾精確，那麽(me) 也大大提高了用於(yu) 汽車導航的GPS(全球定位係統)的精度。

為(wei) 什麽(me) 可見光能製造精確的時鍾呢?一切鍾表少不了擺和齒輪作運動，通過具有精確振動頻率的擺的擺動，使齒輪轉動秒鍾，精確時鍾也不例外。所以，欲要製造更精確的時鍾，有必要使用更高振動頻率的擺。石英鍾(用晶體(ti) 振蕩代替擺的鍾)比擺鍾更準確，那是由於(yu) 石英諧振器每秒振蕩次數更多。

現在作為(wei) 時間標準的銫原子鍾，其振蕩頻率約是9.2吉赫(國際單位吉伽的詞頭，1吉=10^9)。原子鍾是利用銫原子的固有振蕩頻率，用其振蕩頻率一致的微波代替擺，其精度是幾千萬(wan) 年隻差1秒。相比之下，可見光具有比微波振蕩頻率高出10萬(wan) ～100萬(wan) 倍的振蕩頻率，即用可見光能製造出精度高出原子鍾百萬(wan) 倍的精密鍾。現在已在實驗室成功造出利用可見光的世界上最精確的鍾。

借助這個(ge) 精確鍾可以驗證愛因斯坦的相對論。我們(men) 將這樣精確的鍾一個(ge) 放在實驗室裏，另一個(ge) 放在樓下的辦公室裏，考慮可能出現的情況，經過一、二個(ge) 小時後，結果正如愛因斯坦相對論所預言的那樣，由於(yu) 二層之間有不同的“引力場”，兩(liang) 個(ge) 鍾不再指向同一時間，樓下的鍾比樓上的鍾走得慢。如果用更精確的鍾，或許那天連戴在手腕和腳踝上的表的時間都不一樣。我們(men) 借助精確的鍾表就能簡單地體(ti) 驗到相對論的魅力。

光速減慢技術

1999年美國哈巴特大學的萊納·豪教授成功地將光減速到每秒17米，是汽車都能追上的速度，其後又成功地減速到連自行車都能追上的程度。這個(ge) 實驗涉及物理學最前沿的研究，在本文僅(jin) 介紹實驗取得成功的兩(liang) 個(ge) 關(guan) 鍵。一個(ge) 是構築接近絕對零度(-273.15℃)極低溫的鈉原子的“雲(yun) ”，即稱之玻色一愛因斯坦凝聚體(ti) 的特殊氣體(ti) 狀態。另一個(ge) 是調節振動頻率的激光(控製用激光)，用它照射鈉原子的雲(yun) ，結果發生了不可思議的事情。

科學家首先借助控製用激光使脈衝(chong) 光在原子的雲(yun) 中被壓縮，速度極端地減慢，這時關(guan) 掉控製用激光，脈衝(chong) 光隨之消失，載在脈衝(chong) 光上的信息儲(chu) 存在原子的雲(yun) 中。接著再用控製用激光照射，脈衝(chong) 光恢複，走出原子的雲(yun) 中。於(yu) 是原先被壓縮的脈衝(chong) 重新又展寬，速度複原。脈衝(chong) 光信息錄入原子雲(yun) 中的整個(ge) 過程與(yu) 計算機中的讀取、儲(chu) 存、複位是何等地相似，因此這個(ge) 技術有助於(yu) 量子計算機的實現。

從(cong) “飛秒”到“阿秒”的世界

飛秒已經超乎我們(men) 的想像。現在我們(men) 又涉足比飛秒更短的“阿秒”世界。阿是國際單位製詞頭阿托(atto)的縮寫(xie) 。1阿秒=1×10^-18秒=千分之一飛秒。阿秒脈衝(chong) 不能用可見光製造，因為(wei) 縮短脈衝(chong) 必須使用更短波長的光。例如想用紅色可見光製造脈衝(chong) 的情形，不可能製造比那個(ge) 波長更短的脈衝(chong) 。可見光是2飛秒左右的界限，為(wei) 此阿秒的脈衝(chong) 用波長更短的x射線或伽馬射線。使用阿秒x射線脈衝(chong) ，將來能發現什麽(me) 還不清楚。例如使用阿秒之間閃光將生物分子可視化，在極短的時間尺度下能夠觀察其活動，或許還能查明生物分子的結構。