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07 探索光学前沿 Lighting the Frontiers（第2页）

这些数字简直小得让人难以置信，因此有必要选取一些参照物来帮助我们理解。宇宙的年龄是5×1017秒，因此1秒和宇宙年龄的比值大约等于1阿秒和1秒的比值。或者从经济学的角度来看，如果美国的国债总量相当于1秒钟，那么1飞秒就相当于1美分。在这个尺度上，1阿秒几乎是没价值的。

在这个时间尺度上能发生什么事情呢？在第4章中我介绍了一个简单的原子模型，叫做玻尔模型。在这个模型中，电子受到电力的吸引而“环绕”原子核运动，就像行星受到万有引力的牵引绕太阳运动一样。对于简单原子（只有几个电子的原子）而言，电子绕轨道运行一周所需的时间约为150阿秒。如果我们想观察电子的运动，需要使用比150阿秒更短的光脉冲，才能使图像不致模糊。

频闪仪是与该话题最相关的一个设备。目前，研究人员已经使用了一种频闪仪的变体来观察原子和分子在基本微观层面上发生的迅速变化。在此应用中，一束激光的光脉冲被分为两个（或更多）部分，并在这两个部分之间引入一个延迟。其中，第一个脉冲先发射并照亮样品，其中一部分被样品吸收了。这“触发”了系统中的一些变化——电子在原子内部运动，或者化学键在分子或固体中振动。接着，第二个脉冲发射过去，其中一部分经由样品散射，而后被探测到。

重复进行该实验时，随着两个脉冲之间延迟时间的增加，探测到的散射光可以反映出样品的动态变化。从某种意义上来说，这是原子、分子或者固体变化的“电影”。这种“泵浦[7]探针”的方法已经被用来研究一些复杂的过程，例如在化学反应中，当两个分子通过它们之间的相互作用而被重构时发生了什么。这种方法还有一个更复杂的版本，就是利用不止两个，而是多个光脉冲。这些方法现在被用来研究许多极其有趣却令人费解的内容，从相互作用的原子、高温超导体到生物系统，等等。

我已经说过光学场的单一个周期是脉冲所能持续最短的时间。而我们可以利用由高次谐波产生的极紫外（EUV）脉冲，设计实验来测量光电场的振**。测量脉冲场需要非常快，要比光周期快得多。我们可以利用波长更短的脉冲，它只有光学波长的二三十分之一。当一个电子被一个强光脉冲从原子上剥离时，就会产生这种波长非常短的脉冲。这个过程需要一个光学场，其强度相当于电子与原子核之间的结合力大小。这种脉冲很容易通过在锁模激光器的输出端增加一个光放大器来获得。

当电子被强烈的脉冲从原子上剥离出来后，电子会处在一个快速振**的电场之中。如果电子是在电场振幅为零时被剥离的，电子就可以顺着光学波的下一个周期做“冲浪”运动——短暂地远离原子，然后再回来。当它返回时，速度会非常快，并且可以通过光的形式释放所有额外的能量，从而被原子重新捕获。在这种情况下，原子和电子重新结合时，会释放出非常短的脉冲。这个脉冲的波长只有几百亿分之一米，位于光谱的EUV区域，大约是产生它的光波波长的120。

现在想象这个EUV脉冲发射到另一个原子上。它的波长非常短，足以被原子吸收，并击出一个电子停留在原子周围。进一步设想，在同一时刻将待测量的短光脉冲也发射到这个原子上。这个脉冲的场将使停留的电子向某个方向加速，这一方向取决于电子被EUV脉冲从原子上被剥离时，所处的光学波周期位置。通过改变EUV脉冲和光脉冲之间的延迟，就可以测量电子的加速度。由于速度较大的电子有更多的能量，这使我们可以“看到”光脉冲场（见图33），尽管该场振**的时间非常短。

图33　光脉冲场的图像。两个相邻峰值之间的时间间隔为2。飞秒

这种泵浦探针光谱法可以应用在生物化学的研究中，例如研究光合作用的第一步反应，即植物利用阳光的能量，将空气中的二氧化碳转化为氧气。这一步需要以极高的效率在一个大的生物分子周围传输能量。该过程包含有一些非常有趣却不能被解释的特性——其能量的传输比人们预期的要快得多，效率也要高得多。如果我们能从这种在自然界中进化了上亿年的系统中，学习如何快速高效地传输能量，或许我们就能够应用这些知识改进诸如太阳能电池的设计之类，这将给社会带来极大的影响。

超强

电费账单告诉你上个月用了多少电。它以千瓦时（kW·h）为计量单位，你消费的每一度电都要付费。假设你在某个月使用了220千瓦时（这是英国每月的人均能耗）：你可以在这个月的四周内平均使用这些电，或者你也可以在第一周用光它，并在接下来的三周什么都不用。但是，你能想象在千万亿分之一秒内用完这些电吗？要在这么短的时间内用完这么多的电，你需要大量的电器，而且你还必须迅速地开关它们。因此，在这种情况下的用电峰值功率将会非常大。

光脉冲可以用来用完这些电。因为它们的持续时间特别短，而且包含了这么多能量。事实上，我们有可能产生某种脉冲，使其在某一时刻以相当于整个地球全部发电能力的功率提供能量。但你家里的灯并不会熄灭，这是因为脉冲太短，导致它们的总能量非常小，需要一台巨大的激光器来产生这种脉冲，其占地面积几乎赶得上一个足球场那么大。英国卢瑟福·阿普尔顿（RutherfordAppleton）实验室的火神激光器（VULlaser）就占地颇大。火神激光器可以让持续500飞秒的脉冲携带500焦耳（3。6×106J=kWh）的能量。500焦耳只是一个100瓦的灯泡在5秒内发出的能量。然而脉冲很短的持续时间意味着光的强度可以达到100万颗太阳的总量。位于加州利弗莫尔的美国国家点火装置（NationalIgnitionFacility，缩写为NIF）[8]的激光器要比火神激光器大得多。还在计划中的欧洲光学基础设施（EuropeanLightInfrastructure）项目将建造一个比NIF峰值功率更大的系统。

这种非常短暂、非常强烈的光爆发可以用来改变物质的状态。光脉冲产生的最大电场大于原子内部的电子和原子核之间的引力场，所以有可能利用这个机制将原子中的电子剥离出来，从而形成一种新的物质状态——等离子体。这种剥离可以瞬间完成，比原子核运动的时间还要短，使得原子更紧密地排列在一起，因此等离子体的密度非常大，几乎与固体材料（如一块玻璃）的密度相同，然而与固体材料不同的是，等离子体的温度高达200万摄氏度。

这就是巨行星甚至一些恒星的核心所处的状态：高密度等离子体的粒子在百万倍于大气压力的压力下高速碰撞。可以在实验室获得这样的等离子体，而且它们的用途极为广泛。例如，我们可以通过它们了解恒星是如何工作的，它们的生命周期是怎样的，从而描述它们的进化阶段，如超新星爆炸和白矮星[9]等。其他的一些令天体物理学家感兴趣的现象也可以使用激光器进行实验研究。同时，天体物理学家也使用这种等离子体来探索行星科学。例如，我们可以从气态巨行星的质量和大小来推断它们的组成，但前提是我们要知道在如此高的压力下物质能被压缩到什么程度。

一些激光设备利用波长很短的光产生脉冲。这些脉冲由磁场中加速的电子产生，所以当它们沿着加速器急速下落时，它们会左右“摇摆”。这就产生了一种由短脉冲X射线组成的同步辐射。这类激光器通常使用粒子加速器的技术甚至硬件。比如斯坦福线性对撞机光源（LinearChtSource，缩写为LCLS）和汉堡X射线自由电子激光器（X-rayFreeEleLaser，缩写为XFEL）。

基于最强烈的激光脉冲以及X射线短时增强的技术，科学家们能够在各种条件下检测等离子体。此外，激光在原子核之间施加的巨大压力，可以在适当的条件下使原子核融合在一起，在这个过程中会释放出大量的能量。这种“核聚变”可能使我们获得几乎无限的能源。将激光应用于核聚变在技术上要求极高，也是目前正在探索的实现核聚变的两种方法之一：另一种方法不涉及光，光只是在其中充当一种监测工具。不过这两种方法都使用了致密等离子体。

当激光脉冲穿过等离子体时，会产生一种波，类似于船只划过水面时会留下波纹。在等离子体的电场内距离10-6米的两端电压可达到10万伏以上（这意味着约为高压电塔电线中10倍的电压，被加在只有人类头发十分之一的宽度上）。这样的电场强度比世界上用于研究基本粒子的最大机器，如日内瓦欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LargeHadronCollider，缩写为LHC），所使用的加速场强度至少大1000倍。在未来，也许我们可以用激光制造出可以放在桌面上的小型设备，使电子能够加速到目前LHC所能达到的能量。

通过激光脉冲与物质相互作用产生的超强电场，也可以给较重的粒子加速，比如质子。目前质子束正作为一种癌症治疗的手段被研发，与目前使用的其他类型的放射治疗相比，重的粒子可以更精确、更深入地送达病变组织。

光的非凡特性使人们能够不断在广阔的范围里开创新领域。可以说，光是科学技术中一种无处不在的工具。

[1]　分子马达（molecularmotor）是由生物大分子构成，利用生物化学能进行机械做功的纳米系统。生命体的一切活动都依赖于分子马达。

[2]　1894—1974，印度物理学家，奠-定爱了因玻斯色坦凝聚理论的基础。玻色子就是以他的名字命名的。

[3]　由大量原子构成，处于玻色-爱因斯坦凝聚态。

[4]　超流体是在超低温下的一种内部完全缺乏黏性的理想流体。

[5]　即文中描述的由多个光束相互干涉形成的光陷阱，可将冷原子“囚禁”于其中。

[6]　由单个原子组成的气体。

[7]　利用光将原子或者分子内部的电子从低能态激发到高能态的过程。

[8]　美国科学家制造的世界上最大的激光核聚变装置，能产生恒星内核温度和压力，被称为“人造小太阳”。

[9]　超新星爆炸和白矮星都是恒星进化到末期后可能出现的结果。