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(bào)告現(xiàn)場(chǎng)
《左傳》有云：“光，遠(yuǎn)而自他有燿者也?！惫馐巧f(wàn)物的熱量來(lái)源，是視覺(jué)世界的物質(zhì)基礎(chǔ)，自古以來(lái)就被無(wú)數(shù)好奇而智慧的人們所關(guān)注。但是，無(wú)論研究多甚、了解幾何，光依舊遙不可及，“可遠(yuǎn)觀而不可褻玩焉”。隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們基于愛(ài)因斯坦的理論，制造出了能夠?qū)崿F(xiàn)受激輻射光放大的機(jī)器，使這股神秘而強(qiáng)大的力量盡在掌握。陽(yáng)春布德澤，萬(wàn)物生光暉。凜冬已逝的北京也迎來(lái)了本年度第一次科學(xué)咖啡館活動(dòng)。
2022年2月28日晚上，由科技部人才與科普司、中國(guó)科學(xué)院科學(xué)傳播局支持，中國(guó)科學(xué)院物理研究所承辦的第55期科學(xué)咖啡館活動(dòng)成功舉行。本次活動(dòng)的主持人為中國(guó)科學(xué)院科學(xué)傳播研究中心副主任邱成利，主講人為中國(guó)科學(xué)院物理研究所副研究員方少波。本次活動(dòng)以“和時(shí)間賽跑的激光”為主題，從“時(shí)間”的角度切入，講解了超快光學(xué)的發(fā)展歷史和在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，生動(dòng)地呈現(xiàn)了人們利用激光來(lái)改造世界的努力。
光與時(shí)間
時(shí)間的計(jì)量往往需要以一個(gè)已知事件發(fā)生的時(shí)間過(guò)程作為快與慢的參考。例如古代的日晷，就是利用晝夜更替來(lái)呈現(xiàn)時(shí)間的變化。這個(gè)參考事件發(fā)生的時(shí)間過(guò)程越快，我們的時(shí)間計(jì)量會(huì)越精準(zhǔn)。
在影像攝制領(lǐng)域中，相機(jī)利用快門(mén)的一開(kāi)一合來(lái)實(shí)現(xiàn)曝光，即對(duì)瞬間影像的記錄，就是上述原理的一個(gè)表現(xiàn)。如果快門(mén)速度不夠快，即拍攝對(duì)象在快門(mén)一開(kāi)一合的瞬間發(fā)生了更快速的運(yùn)動(dòng)變化，相機(jī)所記錄的影像就會(huì)模糊，從而無(wú)法顯示運(yùn)動(dòng)物體的真正過(guò)程，也就無(wú)法清晰地展現(xiàn)在這一瞬間拍攝對(duì)象究竟發(fā)生了哪些變化。
為了說(shuō)明這個(gè)現(xiàn)象，1872年，美國(guó)加州有一個(gè)富豪，就曾提出過(guò)，賽馬在奔跑的過(guò)程中，有沒(méi)有四腳離地的瞬間？他找到了當(dāng)時(shí)一位特別有名的藝術(shù)家，叫艾德沃爾，我們今天稱(chēng)之為攝影師，但當(dāng)時(shí)影像技術(shù)才剛剛發(fā)展起來(lái)，還沒(méi)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(shí)每個(gè)馬蹄的離地狀態(tài)，是否始終有一個(gè)腳踩在地上。這樣的照片連拍，現(xiàn)在我們用手機(jī)都可以輕松實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)時(shí)他為了完成這個(gè)工作，花了近兩年的時(shí)間。因?yàn)楫?dāng)時(shí)的機(jī)械快門(mén)只能達(dá)到0.1 s的開(kāi)合速度，想要拍攝快速運(yùn)動(dòng)的馬蹄非常困難。最后，照片呈現(xiàn)的結(jié)果是，馬在奔跑的時(shí)候確實(shí)會(huì)四腳離地?？梢韵胂?，如果快門(mén)速度不夠快，沒(méi)有拍攝到四腳離地的照片，我們就無(wú)法正確認(rèn)識(shí)賽馬奔跑的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。
設(shè)想如果我們?cè)谝婚g全黑的屋里，相機(jī)快門(mén)始終打開(kāi)，不再用這種機(jī)械的方式一開(kāi)一合……當(dāng)光亮的時(shí)候，相當(dāng)于快門(mén)打開(kāi)了，光滅的時(shí)候，快門(mén)關(guān)閉了。利用這種光脈沖的方式來(lái)替代之前的機(jī)械快門(mén)，就可以做得相對(duì)比較快。這樣的光快門(mén)能快到什么程度？又能看到哪些更快的東西？讓我們拭目以待。
利用毫秒量級(jí)的光脈沖，可以定格昆蟲(chóng)扇動(dòng)翅膀的瞬間；到了微秒量級(jí)，基本上可以看得到子彈出膛的慢動(dòng)作；如果到納秒量級(jí)，連續(xù)慢動(dòng)作的子彈幾乎被定格了，人們能夠觀測(cè)電路中的電流變化；到了皮秒和飛秒量級(jí)，許多分子的轉(zhuǎn)動(dòng)與振動(dòng)都能清晰體現(xiàn)出來(lái)；如果光脈沖的時(shí)間尺度再縮短千分之一，達(dá)到阿秒量級(jí)，分子的瞬間影像都會(huì)被定格，人們有希望看到原子核外的電子運(yùn)動(dòng)，即單一電子的行為。有了更快的快門(mén)，就可以看清楚更快的世界，這也是從事超快光學(xué)科研工作者的初衷：一方面是追求極限，另一方面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(chēng)是受激輻射光放大(light amplification by stimulated emission of radiation，LASER)，其理論基礎(chǔ)可追溯到1917年愛(ài)因斯坦發(fā)表的《On the Quantum Theory of Radiation》，只是當(dāng)時(shí)還沒(méi)有激光或受激輻射光放大的說(shuō)法。當(dāng)時(shí)理論預(yù)言，當(dāng)一個(gè)光子激發(fā)原子時(shí)，有可能激發(fā)出兩個(gè)頻率相同的光子，這些光子再次激發(fā)原子就可能激發(fā)出更多的頻率相同的光子，呈現(xiàn)出一個(gè)放大的效果。愛(ài)因斯坦預(yù)言，在雙能級(jí)理論模型中，光與物質(zhì)相互作用的過(guò)程中，有可能會(huì)把光放大。
我們知道光是一種電磁波，在發(fā)明激光之前，人們首先在電磁波的微波波段發(fā)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(shuō)明是在微波波段。Maser的發(fā)明，還有中國(guó)人的貢獻(xiàn)在里面。在世界上第一臺(tái)微波激射器的合影中，如圖2所示，照片的最右邊有一個(gè)不太起眼的中國(guó)人面孔，他就是中國(guó)科學(xué)院物理研究所的老前輩王天眷先生。
圖2 世界上第一臺(tái)微波激射器
在做出了Maser之后，所有人都在競(jìng)賽，看誰(shuí)能夠先把這樣的放大器從微波波段做到光學(xué)波段。最終，美國(guó)科學(xué)家梅曼于1960年5月16日做出了世界上第一臺(tái)激光器。2018年聯(lián)合國(guó)教科文組織通過(guò)了每年的5月16日為“國(guó)際光日”。產(chǎn)生激光之后，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(yán)濟(jì)慈先生主持的第三屆光量子放大器學(xué)術(shù)會(huì)議上，錢(qián)學(xué)森先生的建議被正式采納，將“受激輻射光放大”的Laser翻譯為“激光”。
而超快激光因?yàn)樗拿}沖時(shí)間寬度特別短，所以也叫做超短脈沖激光。最初梅曼的激光器是以毫秒量級(jí)閃耀，也就是一個(gè)脈沖的時(shí)間寬度有幾個(gè)毫秒。隨著激光技術(shù)的進(jìn)步，脈沖寬度越來(lái)越窄，達(dá)到了微秒、納秒、皮秒和飛秒級(jí)，后來(lái)甚至實(shí)現(xiàn)了阿秒脈沖。目前最短的飛秒激光大概在幾個(gè)飛秒左右。然后以這樣的飛秒激光去產(chǎn)生或驅(qū)動(dòng)所謂的阿秒光源，可以達(dá)到幾十個(gè)阿秒。
激光的應(yīng)用
這樣一種強(qiáng)大的力量，能夠?yàn)槲覀兊纳顜?lái)哪些便利？中國(guó)林業(yè)科學(xué)院濕地研究所助理研究員李惠鑫問(wèn)：“激光在我們的日常生活當(dāng)中有哪些作用？”主講人指出，激光的應(yīng)用特別多。像課堂或者會(huì)議室里最常見(jiàn)的激光筆就是一種小型的激光器。激光在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用與我們的生活也較為接近，國(guó)際上很早就開(kāi)始把激光技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)療領(lǐng)域，如激光在眼科和皮膚科等領(lǐng)域都獲得了非常成功的應(yīng)用。近年來(lái)，隨著光學(xué)傳感技術(shù)的快速發(fā)展，激光技術(shù)與內(nèi)窺技術(shù)相結(jié)合，在組織診療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，取得了比較豐碩的成果。此外激光在通訊傳媒、科學(xué)研究、智能制造、國(guó)防軍事等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。與普通光源相比，激光的方向性、單色性和相干性都特別好，亮度也顯著更高，因此被稱(chēng)為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”。
在熱烈的討論中，本次科學(xué)咖啡館活動(dòng)也漸入尾聲。中國(guó)科學(xué)院科學(xué)傳播局的周德進(jìn)局長(zhǎng)在最后的總結(jié)中指出，激光技術(shù)作為一種先進(jìn)的光學(xué)技術(shù)，未來(lái)可能會(huì)和磁學(xué)、聲學(xué)、電子學(xué)等各種各樣的技術(shù)進(jìn)行融合，希望激光能夠照亮我們生活的方方面面。
圖3 科普活動(dòng)與會(huì)嘉賓合影
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