阿秒激光獲諾獎，你一定繞不開Nature的這篇文章｜2023諾貝爾物理學獎公布

北京時間2023年10月3日17時45分，2023年諾貝爾物理學獎公布。獲獎者分別是美國俄亥俄州立大學的皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、德國馬克斯·普朗克量子光學研究所的費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）以及瑞典隆德大學的安妮·呂利耶（Anne L"Huillier）。

獲獎理由：

表彰他們創(chuàng)建了一種“產生阿秒光脈沖的實驗方法”，可用于測量電子移動或改變能量的快速過程，為人類探索原子和分子內的電子世界提供了新工具。

(資料圖片)

阿秒是一秒鐘的一百萬分之一的一百萬分之一的一百萬分之一。如果把你生命中的下一秒鐘擴展為宇宙的歷史的話，那么一阿秒將相當于宇宙歷史長河中不足一秒的時間。

在一阿秒（10^-18秒）時間內，光只能行進比單個水分子的長度長不太多的距離，水分子本身也將表現(xiàn)為凝固狀態(tài)。分子的固有振動周期超過幾萬阿秒，而其轉動一周將需要幾百萬阿秒——相對振動來說時間很長。即使原子中電子的快速運動過程一般估計也得需要幾百至幾千阿秒的時間，而可見光波振蕩一個周期大約需要2000阿秒。

談及阿秒光脈沖技術，我們一定繞不開這篇文章：2003年2月6日，《自然》雜志發(fā)表了一篇驚世駭俗的文章，題為《利用強光場對電子過程進行阿秒控制》，令眾多學界同行印象深刻，也引領了物理學潮流。

鮑塔斯卡（Baltuka）等人在阿秒尺度上對光進行了處理，并利用處理過的光以相同的時間精度來控制電子的運動。這項工作是由德國馬克斯 ? 普朗克量子光學研究所西奧多 ? 漢斯（Theodor H?nsch）研究組的精密測量小組和奧地利維也納工業(yè)大學弗蘭克 ? 克勞茲 （Ferenc Krausz） 研究組的超快激光技術小組合作完成的。

克勞茲、漢斯及他們的同事們把兩項由他們的研究工作發(fā)展起來的技術亞飛秒軟X射線產生技術和全光頻標技術完美地結合成超快激光技術，進而取得了上述輝煌的進展。

亞飛秒軟X射線產生技術和全光頻標技術的工作基礎都是克爾透鏡鎖模激光器，它是超快科學研究的主要工具，在世界上大多數(shù)超快研究實驗室中都能發(fā)現(xiàn)它的身影。它可以通過一種被稱為克爾透鏡效應[以蘇格蘭物理學家約翰 ? 克爾 （John Kerr，1824～1907） 命名的一種效應]的非線性效應在光譜的近紅外區(qū)產生一連串連續(xù)不斷的持續(xù)時間為10～100飛秒 （10000～100000阿秒） 的光脈沖。

克爾透鏡是由光自身產生的，可以促使激光器諧振腔中的光子聚集成極短的光脈沖。這些光脈沖可以被認為是囚禁在單個短包絡中的、在激光器諧振腔端鏡之間來回反射的電磁波。如果兩個端鏡中的一個是部分透射的，那么脈沖每反射一個來回就會有一小部分從諧振腔中透射出去，產生一連串輸出脈沖。

然而，雖然輸出脈沖是由激光器諧振腔內電磁波在每反射一個來回之后相繼連續(xù)透射出來的，但在輸出脈沖串中的每個脈沖看上去卻并不是完全相同的。脈沖的光學載波在每次反射之后都會有相當于一個周期的一小部分的位移，這是因為載波頻率與脈沖的重復頻率不相匹配——即光波頻率與脈沖的重復頻率的比值不是整數(shù)。如果這一比值為整數(shù)，則光波頻率就會僅與激光器諧振腔內電磁波來回反射的頻率有關系。

漢斯認識到如果能克服這種缺陷，就有可能建立全光頻標，進而顯著地簡化和改善時間的測量精度。他的研究組發(fā)現(xiàn)了一個解決這一問題的方法，研制出了被稱為“光學梳狀發(fā)生器”的裝置，使時間標準的研究工作發(fā)生根本性的變革。

與此同時，克勞茲研究組積極尋求克爾透鏡激光器的一種不同應用。他們僅僅經過幾個周期就把激光的峰值功率放大到了1000億瓦，以產生短波射線爆叢。利用強激光產生高能超短光脈沖是一件非同凡響的事。直接的激光放大過程將會毀壞激光器及其輸出光場，因為這里的激光光強大得足以劈裂原子。這一災害可以利用名稱奇異的非同尋常的技術——即啁啾脈沖放大、中空光纖自相位調制以及啁啾鏡壓縮等技術加以避免。超快光學已發(fā)展成為一項高技術，而克勞茲正是該領域的藝術大師。

當高功率的光束聚焦到蒸氣中的原子上的時候，原子會以多種方式發(fā)生反應。有些原子會快速電離，通過一種被稱為“超閾值電離”的過程產生大量的高能電子。另外一些原子吸收入射激光，然后再輻射出非常高的高次諧波 （或多倍于激光頻率） 的光。這種高次諧波輻射可以形成一個脈沖持續(xù)時間低于1飛秒的非常好的軟X射線源。

克勞茲研究組和其他一些人已經研究了高次諧波產生的機理。理論認為高次諧波起因于電離出來的母原子在重新碰撞過程中所產生的相干輻射。如果是這樣的話 （實驗似乎證實了這一點） ，那么就會在激光場的每個周期內形成阿秒軟X射線爆叢。因此，X射線爆叢的模式將與脈沖包絡中的光學載波的模式相匹配——這正是漢斯研究組和克勞茲研究組的工作的交匯處。

當克勞茲的激光器通過漢斯的技術獲得穩(wěn)定之后，激光放大器就會產生功率為1000億瓦的一模一樣的光脈沖了。這就意味著在激光焦點處從原子中剝離出來的電子將按照相同的途徑在脈沖的相同區(qū)段與它們的母原子重新碰撞，并產生記錄下這一劇烈運動的光譜和電子譜。所有以前的實驗都要被迫在不同的激光脈沖上來求平均值，因此抹掉了原子尺度過程的若干特性。尤其是，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)諧波譜竟然并不總是“諧波 （泵浦頻率的整數(shù)倍） ”。相反，諧波譜要受到發(fā)生于驅動光場相繼周期的不同部分的相繼X射線爆叢之間的相干干涉的調制。

漢斯、克勞茲及其同事們在產生鎖頻高強度激光脈沖方面所獲得的成功，標志著“阿秒物理” （阿秒時間尺度物理過程的研究） 時代的開始。

阿秒物理時代

阿秒是電子在原子內部運動的時間尺度：電子繞氫原子核一周大約是150阿秒；而阿秒物理學 (attosecond physics) 是研究這樣一個超短時間尺度內所產生的一切現(xiàn)象，其中包括原子內部電子、原子核的運動。

開展阿秒物理學研究將拓展在飛秒(1飛秒為10^－15秒)時間尺度內對分子的核運動的研究范圍，使直接觀測約100阿秒時間尺度內電子的運動成為可能，這對于人們認識更短時間內微觀世界的物質運動將有非常重要的意義。

新型超強超短脈沖激光的出現(xiàn)與發(fā)展，為人類提供了前所未有的全新實驗手段與極端的物理條件。就時間尺度而言，人類已由飛秒時代穩(wěn)步邁進亞飛秒甚至阿秒時代，這對自然科學和人類社會的進步產生了重要影響。

阿秒脈沖的產生

阿秒脈沖的出現(xiàn)是新型超強超短脈沖激光的迅速發(fā)展的結果。嚴格說來，純粹的光學脈沖不能被壓縮至1飛秒以內 (時域和頻域的轉換限制需要比可見光譜更寬的帶寬來產生亞飛秒脈沖) 。然而，光學飛秒脈沖可以用來產生高次諧波脈沖，該脈沖可持續(xù)阿秒時間，并跨越更大的頻率范圍，達到真空紫外波段和軟X射線波段，為探索新的物理過程開辟了道路。

阿秒脈沖產生過程依賴于高強度飛秒脈沖中電場的快速振蕩。當光與原子相遇時，高強度電場能使價電子克服原子核的束縛，從原子中逃逸出來。然而，外加電場又迅速反向，將逃逸的電子重新拉回原子核；而被重新捕獲的電子將其額外能量以脈沖輻射的形式在幾百阿秒的時間內釋放出來。如果驅動的激光是長脈沖，這時產生的阿秒脈沖是一個脈沖鏈，脈沖之間的間隔為半個激光周期。

這樣的脈沖鏈還難以觀測到原子、分子內部電子的動力學過程。要清晰地觀測到物質內部電子的運動，還需要單個的阿秒脈沖——單個的亞飛秒脈沖產生于由只包括幾個光學振蕩的、脈寬為幾個飛秒的周期量級超短激光脈沖驅動和控制的電子與母離子的二次碰撞過程。這無疑應歸功于激光脈沖壓縮和功率放大技術的發(fā)展。

而周期量級飛秒脈沖及其與物質相互作用過程中產生的軟X射線脈沖，打開了在阿秒時間尺度探索原子和分子中發(fā)射電子運動的大門，目前開展了探測由X射線協(xié)同周期量級超短激光脈沖的振蕩電場電離產生的光電子的研究。通過觀測這種被理解為光場驅動條紋相機模式下的光電子發(fā)射，可以得到阿秒脈沖的寬度。在同樣的實驗系統(tǒng)中，跟蹤直接出射光電子以外的散射電子的運動軌跡，提供了在時域研究內殼層原子或分子動力學的途徑。

阿秒脈沖的應用

阿秒脈沖最直接的應用是原子內部電子過程的觀測。

眾所周知，物質是由分子和原子組成的，但它們不是靜止的，這是微觀物質的一個非常重要的基本屬性。而飛秒激光的出現(xiàn)，使人類第一次在原子和電子層面上觀察到這一運動過程。

20世紀80年代末，加州理工學院的Zewail教授采用飛秒激光技術，拍攝到了100萬億分之一秒瞬間處于化學反應中的原子的化學鍵斷裂和形成以及單個原子的運動過程，使得人們可以通過“慢動作”來觀察處于化學反應過程中的原子與分子的轉變狀態(tài)，從根本上改變了我們對化學反應過程的認識。Zewail教授為此開辟了飛秒化學的研究領域，并于1999年獲得諾貝爾化學獎。

飛秒科學雖然對物理和化學的發(fā)展產生了巨大的影響，但對于像電子的運動來說，飛秒還是太慢了 (電子振動的時間單位是另一層次——阿秒的世界) 。紅外線與可見光一次振動需要幾個飛秒，無法實現(xiàn)阿秒時間尺度的測量；而阿秒脈沖的魅力在于它開辟了一個新的時間疆域――和飛秒脈沖很相似，阿秒脈沖在低于1飛秒的曝光時間內可攝取原子中電子動力學快照的嶄新應用，必將在微觀世界的研究中起到開疆破土的重要作用。

除了揭示自然科學的奧妙之外，阿秒脈沖會對人們的工作和生活有什么影響？ 想想飛秒激光是如何改變人們的生活的。

飛秒激光的出現(xiàn)使人類第一次在原子和電子的層面上觀察到這一超快運動過程，并在物理學、生物學、化學控制反應、光通訊等領域中得到了廣泛應用。特別值得提出的是，由于飛秒激光具有快速和高分辨率特性，它在病變早期診斷、醫(yī)學成像和生物活體檢測、外科醫(yī)療及超小型衛(wèi)星的制造上都有其獨特的優(yōu)點和不可替代的作用。

包括高功率飛秒激光在醫(yī)學、超精細微加工、高密度信息儲存在內等領域有著很好的發(fā)展前景，如高功率飛秒激光可以將大氣擊穿，從而制造放電通道，實現(xiàn)人工引雷，避免飛機、火箭、發(fā)電廠因天然雷擊而造成的災難性破壞；利用飛秒激光可以有效地加速電子，使加速器的規(guī)模得到上千倍的壓縮……了解了這些之后，還不對阿秒脈沖巨大的潛在應用滿懷憧憬？諾獎的評委們，他們一定是懂的！

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