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脈衝光只能美容嗎?超快雷射不只是這樣用滴!

文/林宮玄 (任職於中研院物理所。)

你一定聽過脈衝光,但也許你對這個名詞的熟悉是來自於醫學美容報導。

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source:wikimedia

脈衝光,故名思義代表光的持續時間是短暫的。照相機的閃光就是個例子,閃光亮的時間 (脈衝寬度)大約只有幾個毫秒 (millisecond, ms, 10-3秒)而已。不過人眼的視覺暫留約62毫秒,所以即使照相機的閃光閃一下比62毫秒還短,我們透過眼睛所感覺到的閃光仍會比它的脈衝時間長。

超快雷射所產生的光其實就是脈衝光,雷射大家應該耳熟能詳,但要多快才叫超快呢?「超快」定義是發生的事件已經快到一般電子儀器量測不到,而只能用超快雷射技術來量測:一般來說指的是比1奈秒 (nanosecond, ns, 10-9 秒) 還要快的事件。

常用的時間單位。source:Industrial Lasers

常用的時間單位。source:Industrial Lasers

除了叫超快雷射,科學家一般也會稱「短脈衝雷射」,甚至直接把脈衝時間尺度冠在前面,譬如奈秒雷射、皮秒 (picosecond, ps, 10-12秒)雷射、飛秒 (femtosecond, fs, 10-15秒)雷射、埃秒 (attosecond, as, 10-18秒)雷射等等。

講這些時間的科學記號各位可能沒什麼感覺這此脈衝多短。我們可以舉個例子,光每秒可繞地球赤道七圈半,而100飛秒的時間,光只能走0.03 公釐而已,大概是一根頭髪的寬度。更不用說目前的超快雷射技術的脈衝時間,已經進入埃秒尺度!100埃秒光只能走30奈米,跟看不到的病毒差不多大小。

光一秒可以繞地球七圈半(左),

光一秒可以繞地球七圈半(左),但100飛秒的時間光只能走0.03公釐,大約是一根頭髮的寬度(右)。 source:Industrial Lasers

由於光的能量集中在這麼短的時間脈衝,所以電場的瞬間能量是非常強的。在這麼短時間內一下子把能量聚焦到物體,可以把物體上的原子直接打掉。目前醫療與工業界利用超短脈衝雷射的強場特性,將其應用在精密雷射手術與材料切刻。

醫學美容中的除斑技術之一,就是利用脈衝光將皮膚內的黑色素給打掉。由於光場很強,科學家還可以用超快雷射來研究非線性光學,也就是讓光經過非線性材料後,可以產生新的顏色。譬如目前綠光投影筆中,就有運用非線性晶體,將近紅外光轉換成綠光。

「超快現象」也可以利用超快雷射「脈衝超短」的特性,將感覺起來「瞬間」發生的事件給凝結記錄下來。我們可以用拍夜景跟拍攝子彈射穿蘋果瞬間的照片來舉個例子。

夜晚時由於光源不足,如果照相要得到夠亮的相片,曝光時間必需要拉的很長。下面有張夜景的照片,曝光時間可能好幾十秒,而蜿蜒的路上是不是有黃光及紅光?這是汽車在路上跑,前後車燈所造成軌跡。由於曝光時間中,汽車在路上跑了很遠,所以不可能照到汽車的形狀。這簡單說明了,高速運動的物體,一定要有夠短的曝光才能凝結住車子在跑的瞬間。

雷射凝結動態 (1)

可是夜晚光源就是不足,即使曝光時間變短,也是看不到汽車啊?超短脈衝雷射能提供夠快又亮的光源,如果在夜晚能照到車子,就能將跑的很快的車子形狀凝結拍攝下來。譬如子彈 (1km/s) 射穿蘋果瞬間,可能只需要1微秒 (microsecond,μs, 10-6秒)的閃光就足夠凝結動態行為,拍下這個瞬間,而不需要考量你的電子儀器(如相機)曝光時間有沒有辦法做到這麼短。超快雷射就是利用它的超短脈衝特性將超快現象拍下來。

到底哪些動態屬於超快現象呢?LED燈做為一個例子,接電後電子進入到LED時,就有許多物理現象產生。電子之間會互相碰撞交換能量,這個時間尺度在100飛秒左右。電子也會碰撞到原子產生熱,這個尺度在幾個皮秒左右。最後電子能量躍遷放出光發生在奈秒左右。

1999年諾貝爾獎化學獎得主Ahmed Zewail. souce:caltech

1999年諾貝爾獎化學獎得主Ahmed Zewail。souce:caltech

電子不管在物理或化學反應中,都扮演極重要的角色,了解電子在這些過程的動態反應能幫助了解許多自然現象,進而造福人類。譬如1999年諾貝爾化學獎得主齊威爾 (Ahmed Zewail)就是利用飛秒雷射觀察到化學連鎖反應的短暫中間態。目前脈衝雷射技術已可達埃秒等級,科學家預測電子在原子分子內運動的速度,就是在埃秒尺度,也正致力於利用埃秒雷射來補捉以往看不到的埃秒超快現象。

簡單來說,超快雷射的超短脈衝特性,可用來拍攝超快的電影並慢動作重播讓人類能觀察的到,另一方面超快雷射的瞬間超強光場,也可用在材料切割、醫療手速刀及非線性光學應用等。所以可別以為脈衝光只跟醫學美容有關而已,它在科學研究、工業及醫療等都是極為重要的工具。

最後來欣賞一段由麻省理工學院所作的,一段脈衝光在可樂瓶裡行走的「超快微電影」,全程只發生在奈秒左右的「精采一瞬間」哦!

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關於作者

南宮簫笛哥

任職於中研院物理所,雷射光譜實驗室負責人,生物影像核心設施管理負責人,兼任科學月刊/科技報導副總編輯。擔任過國立臺灣大學、國立臺灣師範大學、美國麻省理工學院博士後研究員,工業技術研究院南分院工程師。曾被戲稱南宮博士,擅長簫及竹笛,故稱南宮簫笛哥 (「人講瘋豬哥」台語諧音)。