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标题: 阿秒&飞秒！ [打印本页]

作者: zgzxb 时间: 2003-12-10 19:16
标题: 阿秒&飞秒！
数人听到飞秒或阿秒这个词的时候，都会自然地以为这是个时间的概念。让我来
告诉你吧，是的，它们确实都是时间的单位，它们是标衡时间长短的一种计量单位。让
我们先来了解一下飞秒。飞秒其实也叫做毫微微秒，即1飞秒只有10的负15次方秒。你能
想象它有多快吗？我们知道，光速是一秒钟30万公里，而在一飞秒之内，光只能走0.3微
米，这只是一根头发丝的不到百分之一。而阿秒呢，同样是作为时间的单位，它比飞秒
还要快，阿秒也称微微微秒（记住，这个可是三个微），即1阿秒相当于10的负18次方秒
，是飞秒的千分之一。其实呢，对于飞秒及阿秒的认识也是不久前才刚刚起步，对于人
们来说这两个时间王国里的极微小的单位还是非常的新鲜。
　　时间就是金钱。今天大家都耳熟能详的这句格言，是富兰克林在200多年前创造的
。新的千纪年，以及过去的几十年，为这句话增添了新的意义。在21世纪，时间的价值
就像前几个世纪的化石燃料与贵金属一样；时间继续是刺激经济成长的重要原料，现代
经济就是以每秒兆字节（TB）与每秒千兆位（Gb）这些单位为基础，所以分秒必争，锱
铢必较；而时间对于自然科学来讲，更是发展的奠基石；无论是化学的变化、物理的运
动，所有这一切都是伴随着时间的流逝，而在更短的片断中找寻自然的秘密，成为科学
家们毕生为之奋斗的目标。
　　人类从很早以前就开始为了生活的方便，来进行计时。从早期的自然循环：太阳日
、太阴月，还有太阳年，日冕、月冕，逐渐发展到被称作时间上革命的13世纪的机械钟
。计时的精准程度飞快的发展，到近代，原子钟使时间的精准度可以达到奈秒。而新型
超强超短脉冲激光的出现与迅猛发展，为人类提供了前所未有的全新的实验手段与极端
的物理条件。就时间尺度而言，可以说人类已由飞秒（10的负15次方秒）时代稳步迈进
亚飞秒甚至阿秒（10的负18次方秒）时代。所有这一切，都对自然科学和人类社会的进
步产生重要的影响。
飞秒科学的发展
　　飞秒科学技术的发展已有近20年历史，80年代末泽维尔教授做了一系列试验，他用
可能是世界上速度最快的激光闪光照相机拍摄到一百万亿分之一秒瞬间处于化学反应中
的原子的化学键断裂和新形成的过程。这种照相机用激光以几十万亿分之一秒的速度闪
光，可以拍摄到反应中一次原子振荡的图像。他创立的这种物理化学被称为飞秒化学，
飞秒即毫微微秒（是一秒的千万亿分之一），即用高速照相机拍摄化学反应过程中的分
子，记录其在反应状态下的图像，以研究化学反应。常规状态下，人们是看不见原子和
分子的化学反应过程的，现在则可以通过泽维尔教授在80年代末开创的飞秒化学技术研
究单个原子的运动过程。
　　泽维尔的实验使用了超短激光技术，即飞秒光学技术。犹如电视节目通过慢动作来
观看足球赛精彩镜头那样，他的研究成果可以让人们通过慢动作观察处于化学反应过
程中的原子与分子的转变状态，从根本上改变了我们对化学反应过程的认识。泽维尔通
过对基础化学反应的先驱性研究，使人类得以研究和预测重要的化学反应，泽维尔因
而给化学以及相关科学领域带来了一场革命。
　　那么具体飞秒化学技术是什么呢？下面我们可以进行详细的了解。
　　如果你拍照总是拍得模糊，那么也许问题不在拍照技巧，而在于你需要更高速的相
机。实际上，20多年前化学家也遭遇了同样的问题，即使化学反应就在眼前发生，在多
数的情况下，化学反应在很短的时间内便会结束。因此不仅所拍出的东西不清楚，甚至
会出现只拍摄到反应前与反应后的情形，无法得知正在反应时的状况。在分子与分子相
撞引起化学反应的瞬间，由于时间太过短暂，而无法具体得知究竟发生了什么事。
　　有时化学反应可比喻成两个球相冲撞，如果能量足够则两个球产生新的结合，若能
量不够，两球则会弹开。这样的解释在某种程度上是正确的，但却将化学反应太过单纯
化，省略了化学反应发生瞬间许多生动的细节。
　　在19世纪，人们即藉由经验得知化学反应会随温度上升而加速，因此认为化学反应
中应当具有必需跨越的能量障碍，称为过渡态（transition state）。1930年代将此观
念进一步地发展，而产生了活化复合体（activated complex）理论，但这终究只是理
论，无法以实验实际观察。
　　此过渡态所持续的时间单位即为分子内的振动周期。原子与原子在端点相重叠而结
合在一起并振动，此振动称为分子振动，振动周期仅数微微秒（1ps=10的负12次方秒）
，非常地短。这就是为什么到了最近科学家才能对此进行观察的原因。
　　分子内及分子间的原子移动速度约每秒一公里，而从反应物变成产物过程中，原子
往往只需移动百亿分之一公尺，因此，观测到原子的运动必须要有时间精密度小于十兆
分之一秒(10的负13次方秒)的测量技术。大概从1980年开始，毫微微秒脉冲激光的相关
技术渐渐发达，并被应用在化学实验上。研究极短时间所发生之化学变化的飞秒化学（
femtochemistry，飞秒为10的负15次方秒）也因此确立。
　　那么，到底是怎么使用毫微微秒脉冲激光来观测分子相会的瞬间呢？
　　基本的原理在于pumpprobe。首先，以第一个强激发脉冲（pump pulse）引起反
应，同时决定时间零点。然后，利用第二个探测脉冲（probe pulse）在一段延迟时间之
后，测量因分子振动的变化所引起的光吸收之改变，而知道分子处于何种状态。
　　两个脉冲发射的时间间隔，可藉由改变探测脉冲与激发脉冲之间所走过的距离差异
（光程差），来作微细调整。由于光速每秒三十万公里，一飞秒的延迟时间需要约三百
三十万分之一公尺的光程差，若利用精密的机械，即可轻易达成此一微小距离。
　　接着，些微改变两个激光照射的时间间隔（即改变光程差），并不断地反复实验，
即可得到许多数据，将这些不同时间所得到的数据串连在一起，则彷佛能实际观察到化
学反应的整个经过。
　　从这样的飞秒化学角度来看，我们能对化学反应的方式有另一层不同的理解，科学
家们从过去模糊的过渡态理论中踏出更清楚的一步。且飞秒化学的应用，不仅止于简单
的化学反应，例如眼睛见到光线时，眼睛内色素的化学反应等与我们切身相关的复杂反
应，均可藉飞秒化学加以分析。当我们能更清楚知道光子与视紫色素（rhodopsin，一种
可与光产生反应的蛋白质）的反应细节，则对人工视网膜的研究发展将具有相当大的帮
助。总之，飞秒化学所开拓的新天地，是令人感到震惊且辽阔的。
　　为了研究更快的过程，如原子内电子的运动过程，则必须有更快的探测手段，这时
飞秒脉冲就显得太慢了。过去两年中，亚飞秒和阿秒科学技术的研究由理论探讨逐步过
渡到实验上亚飞秒脉冲的产生与测试，尤其引人注目的是，科学家在奥地利成功产生并
测量到单个的亚飞秒脉冲，随后又利用亚飞秒脉冲研究了原子的极端超快电离过程。
阿秒科学的发展
　　飞秒科学虽然对物理和化学的发展产生了巨大的影响。但对于像电子的运动来说，
飞秒化学还是太慢了，电子振动的时间单位是另一层次──阿秒的世界。红外线与可见
光一次振动需花3毫微微秒，想以之来测量更短的时间相当困难，因此，过去一直有利用
脉冲更短的X光激光来进行测量的想法，但技术上难以达成。在3毫微秒左右，极短时世
界的大门便已经关闭。因此，利用阿秒激光技术，原子内部电子的运动情况拍成最快速
的电影，每帧画面间相隔仅为几阿秒。阿秒激光是人类目前在实验条件下所能获得的
最短脉冲，具有瞬间功率极高、聚焦能力极强等特点。
∨分薜奈锢硌Ъ以擞阿秒激光，成功观测到氪原子被X光激发后，原子随后发生的电
子重新排列过程。这个过程被科学家用阿秒激光纪录下来。由于这是科学家第一次成功
用阿秒激光来观测电子的跃迁过程，因此具有特殊的意义。预料一旦敞开阿秒光谱学的
大门，未来将有更多相关实验出现。
　　在德国，比勒菲尔德大学的Markus Drescher第一次成功用阿秒激光来测量氪原子被
X光激发后，电子随时间的跃迁过程。这种实验在过去，如果使用飞秒激光，是不可能做
出来的。因为原子周围的电子其跃迁过程相当快速，即使飞秒激光已经可以测量化学反
应的过程，相对于原子周围的电子跃迁的速度仍嫌太慢。因此，位于德国的科学家就使
用阿秒激光来做pump-probe的实验。
　　一般的动态测量技术可以分为三大类：机械性、电磁性和光学性技术。机械性测量
技术（如照相机）可达到百万分之一秒的精密度，电磁性测量技术（如快速示波器）可
达到兆分之一秒的精密度，而唯有光学性测量技术才能达到飞秒及阿秒的境界。这样的
技术是在最近二十年来超快激光（ultrafast laser）发展后，才得以实现。在实验中使
用慢的测量技术，会使观察结果涵盖了整个反应过程。再者，由于反应过渡状态只存在
短暂的一兆分之一秒，过渡状态的光谱讯号（吸收、萤光及光电离等）往往也非常微小
，因而无法测量到。所以，如何设计出测量技术以有效增加过渡状态的讯号，并且与稳
定的反应物及产物所产生的巨大背景讯号分离，就成了必须面对的问题。
　　科学家用pump-probe technique来解决问题，首先将同一道光束在同一时间分成两
道光束，一道是pump，另一道是probe。Pump beam先激发样品，同时激发样品的瞬间就
定为时间零点；随后用translation stage（位移平台）来控制probe beam的光径，从而
控制probe beam与pump beam的时间差。就可以知道样品被激发，经过不同时间后，样品
的反应为何。科学家就可以从这些数据中，推测出在即短时间中，电子的跃迁情况或是
化合物的反应过程。
　　实验结果得到了观测电子在原子内部不同能量级之间的跃迁运动所必需的快门速度
。这开创了物理学中一个新的领域，即阿秒物理学。从此，科学家们将朝时间尺度更
小的物理、化学反应一探究竟。这对科学发展所产生的意义是不言而喻的。
飞秒和阿秒科学的用途
　　在飞秒科学和阿秒科学中，除了揭示自然科学的奥妙之外。与人们直接相关的就是
飞秒激光的应用。那么飞秒激光对人们的工作和生活有什么影响呢？众所周知，物质是
由分子和原子组成的，但是它们不是静止的，都在快速地运动着，这是微观物质的一个
非常重要的基本属性。飞秒激光的出现使人类第一次在原子和电子的层面上观察到这一
超快运动过程。基于这些科学上的发现，飞秒激光在物理学、生物学、化学控制反应、
光通讯等领域中得到了广泛应用。特别值得提出的是，由于飞秒激光具有快速和高分辨
率特性，它在病变早期诊断、医学成像和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制造
上都有其独特的优点和不可替代的作用。
　　物质在高强度飞秒激光的作用下会出现非常奇特的现象：气态、液态、固态的物质
瞬息间变成了等离子体。这种等离子体可以辐射出各种波长的射线的激光。高功率飞秒
激光与电子束碰撞能够产生硬X射线飞秒激光，产生β射线激光，产生正负电子对。
　　高功率飞秒激光在医学、超精细微加工、高密度信息储存和记录方面都有着很好的
发展前景。高功率飞秒激光还可以将大气击穿，从而制造放电通道，实现人工引雷，避
免飞机、火箭、发电厂因天然雷击而造成的灾难性破坏。利用飞秒激光能够非常有效地
加速电子，使加速器的规模得到上千倍的压缩。高功率飞秒激光与物质相互作用，能够
产生足够数量的中子，实现激光受控核聚变的快速点火。从而为人类实现新一代能源开

辟一条崭新的途径。
　　汽车制造厂和重型设备加工厂目前正研究用飞秒激光加工更好的发动机喷油嘴。密
执安大学飞秒激光专家珀容克说：尽管这方面工作已取得不少进展，但很多任务厂已将
这一技术列为保密项目。
　　IBM公司已将一种飞秒激光系统用于大规模集成电路芯片的光刻工艺中。用飞秒激光
进行切割，几乎没有热传递。美国劳伦斯?利弗莫尔国立实验室的研究人员发现，这种激
光束能安全地切割。该实验室的洛斯克说：飞秒激光有希望作为一种冷处理工
具，用于拆除退役的火箭、火炮炮弹及其它武器。飞秒激光能用于切割易碎的聚合物，
而不改变其重要的生物化学特性。飞秒激光甚至可用于基因疗法，德国弗里德里克?希勒
大学的科学家用它就老鼠的细胞进行试验。
　　加州一家公司去年售出了40台飞秒激光视力矫正系统，它们帮助完成了2万次手术。
目前人们在研究如何将飞秒激光用于牙科治疗。有科学家发现，利用超短脉冲激光能去
掉牙的一小块，而不影响周围的物质。人们期待着无痛、且可保护周围】捣├胖实某?
短激光牙科术的出现。
　　中科院上海光机所等国内机构也在这一科学前沿取得了若干初步进展。当前，该领
域无论在理论上还是在实验上都处在出现重大突破的前夜。

作者: methane 时间: 2003-12-24 16:45
标题: 阿秒&飞秒！
你好，请问在哪里看到这篇文章的？很象某个写科普的做了一些review的翻译。我想看到原文的出处以及希望找到类似的文章，谢谢。

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