1

0
0

文字

分享

1
0
0

脈衝光只能美容嗎?超快雷射不只是這樣用滴!

南宮簫笛哥
・2015/07/09 ・2053字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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。

800px-IPL_Treatment_-_IPL_Behandlung
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!

延伸閱讀:

相關標籤: 脈衝光 雷射
文章難易度
所有討論 1
南宮簫笛哥
7 篇文章 ・ 1 位粉絲
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)。

0

1
0

文字

分享

0
1
0

「數」養生活就從今天開始!談談數學教育的跨領域思維 ft. 數感實驗室賴以威老師【科科聊聊 EP.58】

PanSci_96
・2021/09/24 ・2816字 ・閱讀時間約 5 分鐘

賴以威老師近年來不餘遺力的推廣數學教育,他與數感實驗室的團隊前進校園,設計好玩好學的國小實驗課、以身作則的舉辦教師研習、還配合國中課業需求推出必修課與題本,業務早已超過數感實驗室剛成立時的規模。一路走來雖然秉持一貫的教育理念,但在教育現場實現了多少?改變了什麼?本集泛泛泛科學邀請賴以威老師談談數學教育的探究、實作與跨領域思維!

不餘遺力地推廣數學教育的賴以威老師。圖/賴以威 提供
  • 02:03 數感實驗室的數學教育

數感實驗室」一開始是賴以威老師與太太 Stacy 於 2016 年成立的粉專,主要刊登數學文章,不過後來發現都是大人在看,粉專並沒有適合小朋友的數學教育,夫妻倆便著手開發好用、好學、好玩的數學課程,從知識切入,跨領域整合數學、科學、歷史、人文、藝術等領域。

延伸閱讀:數學風箏│巨大化,正四面體風箏!在家防疫DIY【數學實驗課】國小數學實驗課 秋季視訊班

開發好玩又好學的數學課程。圖/賴以威 提供
  • 05:50 以威老師如何做到跨域整合?

以威老師表示最原始的動力當然是興趣使然,除此之外還跟他在博士班培養出來的能力有關:研究方法、定義問題、找資料、實現概念,這些能力不僅限於研究,更一路演變成他後來從事科普的技能。下關鍵字、判別可信度、延伸搜尋、產生內容…這些都需要經驗累積。「只講科學不講故事很可惜」,他認為科普內容都要帶出科學背後的意義,所有科學事件都是一個故事,可以多面向探討,自然而然的做到跨領域。

  • 11:20 108 課綱期望學生達到的素養是否太強人所難?

以威老師坦承 108 課綱講求的探究活用精神是他到研究所才掌握的能力,這樣要求國高中生似乎其困難。但是以前的教學觀念不一定要蕭規曹隨,小孩能否學會什麼都是可以討論的,「探究活用」是看待知識的態度,的確有可能在國高中階段就學會。

延伸閱讀:數感盃

  • 16:12 我們該以什麼態度看待新課綱?

如果我們把新課綱定義為培養好奇心,為了滿足好奇心,學生必須主動探究知識,而不是被動學習。好奇心就是這個時代學習的重要因素。當課堂不再是知識的唯一管道,老師不一定得擔任教學角色,當老師必須做的事變少了,引導學生、培養好奇心、探究實作與活用顯得更重要。

老師不一定得擔任教學角色,引導學生、培養好奇心、探究實作與活用顯得更重要。圖/賴以威 提供
  • 18:21 實務上有這麼理想嗎?

在數感實驗室舉辦的教師研習中,團隊遇過非常積極的老師、也遇過只習慣過去教法而否定新教法的老師,賴以威覺得這都在所難免,數感只能做更多研習,讓更多老師認同教學理念,並提供材料幫助老師無痛轉換。而家長與孩童方面,偶而也會有人反應都沒算到數學題目,對新教法不甚理解,這些都需要慢慢溝通。參與新課綱的人很多:老師、家長、學生、政府、大學、民間團體…我們都需要勾勒出共同的理想。

  • 23:55 何謂「數感」?

團隊認為數感分成「察覺關聯」與「應用數學分析決策」兩個層次。對不熟悉的人來說還是要輔以大量舉例才有機會了解,對孩童來說得花更多時間領會。所以團隊鼓勵大家來參加數感實驗室的活動,從機器人輸入輸出的參數體會函數概念、蓋紙房子學習錐體柱體與建蔽率、還有這次的四面體風箏與曲線刺繡都是數感的一種!

追蹤:數感活動

孩童正製作的四面體風箏也是數感的一種!圖/賴以威 提供
  • 28:10 人人有數感

Uber 饗食方案划算嗎?集點卡可以省多少錢?股票會賺嗎?人們平日的決策過程都是數感的表現,但是很多人卻把自己會的數學當作常識,自己不會的數學當做數學。其實,只要有算就是數學,意識到更多生活方面都可以應用數學還可以幫助我們過更好的生活。當你不排斥其他領域,就能夠處理更多知識、解決更多問題。

  • 31:57 教學理念與升學表現的平衡

一昧在教學中強調好奇心又太過理想化,尤其國中生有升學壓力必須顧及學業表現。數感團隊也在拿捏,從強調好奇心的數學課向升學的方向靠攏。像是數感的國中課程就有許多建立數學情境的素養題目:講求平均值的區間測速、二十進位的瑪雅數字、正負數計算高鐵票價,這樣同時培養了探究實作的素養也搭配學校課程幫助課業表現。

延伸閱讀:不需要測速照相機就能抓超速?區間測速原理大解析- PanSci 泛科學

  • 38:13 數感實驗室的課程設計

數感實驗室目前堆出的課程有國小與國中兩種,國小數學實驗課以引發好奇心為主,國中必修課與生活情境連結幫助課業提升。

其中九年級非選實戰題考驗著把文字轉換為數學問題的能力,是學生最缺乏也最難教的,甚至很多高中生都還再學習。從這點來看,有老師認為七年級題本也可以給高中生做。當然數感也希望盡快開發出對應完整學程的課程讓所有學生直接使用。

另外題本也可視為科普文章,大人也可以寫喔。y 編回憶起學生時代的題目才發現都沒搞懂,因為以前的教學沒有連續的思維養成,希望現在的題本可以整合以前學習的片段知識。

  • 43:12 更多關於數感的資訊

追蹤數感實驗室官網,獲取精選文章、影片、課程與活動資訊、題本、還有賴以威老師親簽書籍喔!

節目的最後,以威老師也分享疫情期間的線上課程其實比較辛苦,但有些功能如軟體模擬、分組、Jamboard、延伸閱讀等等也是實體課程做不到的。另外線上課程不限地點皆可參加,連家人都可旁聽,這些特性都必須好好把握的。


泛泛泛科學 Podcast 這裡聽:


PanSci_96
21 篇文章 ・ 524 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。
網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策