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。

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。

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。

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。

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。

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。

延伸閱讀：

• 科學月刊2015年5月號，<超短脈衝雷射改變世界>。
• 飛秒雷射應用簡介影音檔。