什么是飞秒？

　　多数人听到"飞秒"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。其实呢，对于飞秒的认识也是不久前才刚刚起步，对于人们来说这个时间王国里的极微小的单位还是非常的新鲜。

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。

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"pump&probe"。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。

飞秒科学的用途

　　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。

　　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。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。杭州柘大飞秒检测中心采用快速飞秒激光技术进行配方分析、未知物成分检测等用于材料和技术研发还原，咨询罗工13336185021。
　　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、且可保护周围健康珐琅质的超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。