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中國科學(xué)院物理研究所“和時(shí)間賽跑的激光”主題討論側(cè)記

激光制造網(wǎng) 來源:《物理》2022-04-07 我要評論(0 )   

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《左傳》有云:“光,遠(yuǎn)而自他有燿者也?!惫馐巧f物的熱量來源,是視覺世界的物質(zhì)基...

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

《左傳》有云:“光,遠(yuǎn)而自他有燿者也?!惫馐巧f物的熱量來源,是視覺世界的物質(zhì)基礎(chǔ),自古以來就被無數(shù)好奇而智慧的人們所關(guān)注。但是,無論研究多甚、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。陽春布德澤,萬物生光暉。凜冬已逝的北京也迎來了本年度第一次科學(xué)咖啡館活動。

2022年2月28日晚上,由科技部人才與科普司、中國科學(xué)院科學(xué)傳播局支持,中國科學(xué)院物理研究所承辦的第55期科學(xué)咖啡館活動成功舉行。本次活動的主持人為中國科學(xué)院科學(xué)傳播研究中心副主任邱成利,主講人為中國科學(xué)院物理研究所副研究員方少波。本次活動以“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,生動地呈現(xiàn)了人們利用激光來改造世界的努力。

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呈現(xiàn)時(shí)間的變化。這個(gè)參考事件發(fā)生的時(shí)間過程越快,我們的時(shí)間計(jì)量會越精準(zhǔn)。

在影像攝制領(lǐng)域中,相機(jī)利用快門的一開一合來實(shí)現(xiàn)曝光,即對瞬間影像的記錄,就是上述原理的一個(gè)表現(xiàn)。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(fā)生了更快速的運(yùn)動變化,相機(jī)所記錄的影像就會模糊,從而無法顯示運(yùn)動物體的真正過程,也就無法清晰地展現(xiàn)在這一瞬間拍攝對象究竟發(fā)生了哪些變化。

為了說明這個(gè)現(xiàn)象,1872年,美國加州有一個(gè)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(dāng)時(shí)一位特別有名的藝術(shù)家,叫艾德沃爾,我們今天稱之為攝影師,但當(dāng)時(shí)影像技術(shù)才剛剛發(fā)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(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)械快門只能達(dá)到0.1 s的開合速度,想要拍攝快速運(yùn)動的馬蹄非常困難。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,我們就無法正確認(rèn)識賽馬奔跑的運(yùn)動過程。

設(shè)想如果我們在一間全黑的屋里,相機(jī)快門始終打開,不再用這種機(jī)械的方式一開一合……當(dāng)光亮的時(shí)候,相當(dāng)于快門打開了,光滅的時(shí)候,快門關(guān)閉了。利用這種光脈沖的方式來替代之前的機(jī)械快門,就可以做得相對比較快。這樣的光快門能快到什么程度?又能看到哪些更快的東西?讓我們拭目以待。

利用毫秒量級的光脈沖,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(xù)慢動作的子彈幾乎被定格了,人們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(zhuǎn)動與振動都能清晰體現(xiàn)出來;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,分子的瞬間影像都會被定格,人們有希望看到原子核外的電子運(yùn)動,即單一電子的行為。有了更快的快門,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年愛因斯坦發(fā)表的《On the Quantum Theory of Radiation》,只是當(dāng)時(shí)還沒有激光或受激輻射光放大的說法。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。愛因斯坦預(yù)言,在雙能級理論模型中,光與物質(zhì)相互作用的過程中,有可能會把光放大。

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,說明是在微波波段。Maser的發(fā)明,還有中國人的貢獻(xiàn)在里面。在世界上第一臺微波激射器的合影中,如圖2所示,照片的最右邊有一個(gè)不太起眼的中國人面孔,他就是中國科學(xué)院物理研究所的老前輩王天眷先生。

圖2 世界上第一臺微波激射器

在做出了Maser之后,所有人都在競賽,看誰能夠先把這樣的放大器從微波波段做到光學(xué)波段。最終,美國科學(xué)家梅曼于1960年5月16日做出了世界上第一臺激光器。2018年聯(lián)合國教科文組織通過了每年的5月16日為“國際光日”。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)會議上,錢學(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,脈沖寬度越來越窄,達(dá)到了微秒、納秒、皮秒和飛秒級,后來甚至實(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砟男┍憷恐袊謽I(yè)科學(xué)院濕地研究所助理研究員李惠鑫問:“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。像課堂或者會議室里最常見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,國際上很早就開始把激光技術(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,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)咖啡館活動也漸入尾聲。中國科學(xué)院科學(xué)傳播局的周德進(jìn)局長在最后的總結(jié)中指出,激光技術(shù)作為一種先進(jìn)的光學(xué)技術(shù),未來可能會和磁學(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 科普活動與會嘉賓合影


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