超快光学:没有最快,只有更快

2019年09月04日
拍照,对于很多人来说很熟悉也很简单,拿起手机就可以记录下此时此刻。但你知道如何对超快运动过程进行拍照吗?答案是采用超短激光
激光是20世界人类的重大发明之一,被称为“超亮的光”,超短激光在我们的生活中发挥着巨大的作用,可以用于制造超快的相机、超准的时钟。今天,我们就来一窥庐山真面吧!
超短激光技术的发展
激光按工作方式可分为连续激光和脉冲激光。顾名思义,脉冲激光输出的光是不连续的,而是一个个脉冲,科学家们将脉冲持续的时间称为“脉冲宽度”。
▲长脉冲(左)、短脉冲(右)
激光发明后不久,调Q技术(将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中,从而使激光光源的峰值功率提高几个数量级)就产生出纳秒级的激光脉冲。后来,锁模技术(用于产生极短时间激光脉冲的技术)又将脉冲宽度缩短到皮秒(10-12秒)量级。
到了20世纪80年代,飞秒10-15)量级激光登场。近年来,超短激光脉冲的宽度进一步缩短到令人惊讶的阿秒10-18)量级。目前,阿秒激光多是通过高功率超短飞秒激光脉冲与气体相作用而辐射出的高次谐波(频率为原信号频率两倍及以上的新辐射)产生的。
激光技术的发展不断冲击“最小脉冲宽度”的极限,真可谓“没有最快,只有更快”。超快超强光学和其他相关学科也随之不断被推向新的发展高度。
超快的光
我们知道,要想探测随时间变化的一个快速过程,只能采用比此过程更短的闪光进行拍照。而超短激光脉冲就像一个超快的闪光灯,由于它的闪光过程非常短,因此微观世界的动态过程就可以被一个个闪光照亮并记录下来,就像在时间上提供了一把具有极小刻度的标尺。
原子和分子是组成物质的基本单元,分子中的原子核和原子分子中的电子都在做着高速运动。原子核间的转动发生在皮秒量级、振动发生在飞秒量级,而电子在原子分子内部的运动通常发生在阿秒量级,例如氢原子里基态电子绕原子核运动一圈的时间大约是150阿秒。人们要了解这些过程,不得不借助超短激光。
超强的光
极短的脉冲宽度,不仅使超短激光脉冲具备超快的时间测量能力,还能使看起来微不足道的单脉冲能量,产生亿瓦级的峰值功率(能量除以脉冲宽度)。目前,科学家们已能将这种能量提高到百焦耳以上,最大峰值功率已超过5拍瓦(1015瓦),可以产生接近太阳内部强度的电磁场环境。
超强激光为强电磁场下的物理和化学过程研究提供了独一无二的科学工具,在台式化加速器、激光聚变、核物理与核医学、高能物理等领域均有重大应用价值。如今,飞秒激光具有在低能量下获得高强度的特点,已经在先进制造和生物医学等领域得到广泛的应用。
▲人们在医院接受飞秒激光视力矫正治疗
▲激光的高强度使它能精准、轻松地切割金属板
超准的钟
飞秒激光脉冲是通过锁模技术将千百万个不同颜色的激光协同起来而产生的,这些不同的电磁波呈现出严格精确同步的波动行为,为精密测量提供了一种优秀的频率标准。现在,各国都在竞相发展超准的“光钟”,它通过冷原子或冷离子(冷却到超低温度的原子或离子)提供频率基准,将单一频率的光学振荡利用飞秒激光光学频率梳技术,传递到其他光学波段进行计数,其计时精度比工作在微波波段的原子钟又有大幅提升。
 
可以说,目前世界上走得最准的时钟就是光钟。假设它在地球诞生之初就开始工作,那么运行到现在的偏差也不会超过1秒。这种超准的计时技术,使GPS 等系统的定位精度被推进到厘米量级。
▲中国研制的光钟
美国加州理工学院的科学家泽维尔,正是因为利用飞秒激光“目睹了分子的诞生和死亡(化学反应中分子的形成和分解)”而获得了1999 年的诺贝尔化学奖,从而带动了飞秒化学和飞秒物理等领域的快速发展。当前,国际研究中的一些前沿问题,就是利用超快的飞秒或阿秒脉冲或者它们的组合,去探测或者控制原子分子内部的这些动力学过程。
来源:知识就是力量公众号
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