阿秒光脉冲 （持续时间只有阿秒数量级的光脉冲）

简介

利用阿秒光脉冲极短的持续时间（1fs≈10s），可以观察到极快的化学反应过程，包括分子键的断裂与重组，分子与原子的振动过程等等；利用它极高的峰值功率（聚焦后的强度可达到10W/cm），可以开展极端条件下强场物理的研究，包括激光等离子体，T 射线辐射源，1999年诺贝尔化学奖得主Ahmed Hassan Zewail教授就是利用飞秒激光抽运-探测技术成功地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。

自21世纪初诞生以来，阿秒光脉冲已在凝聚态物理、原子分子物理、X射线激光物理等方面取得了系列重大应用突破，并衍生出新的研究领域──阿秒物理(Attosecond Physics)。同时由于阿秒光脉冲有着极短的脉冲宽度和超高的时间分辨能力，在物理学、化学、生物学、医学、材料科学等领域都有潜在应用。

瑞典皇家科学院10月3日宣布，将2023年诺贝尔物理学奖授予皮埃尔·阿戈斯蒂尼 (Pierre Agostini)、费伦茨·克劳斯 (Ferenc Krausz) 和安妮·卢利尔 (Anne L’Huillier)，以表彰他们“为研究物质中的电子动力学而产生阿秒光脉冲的实验方法”。

研究历史

20世纪80年代，人们在激光电离气体原子的实验中观察到高次谐波产生(high-orderharmonicgeneration，HHG)。作为原子在强激光场电离过程中由电子再碰撞产生的相干辐射，HHG在频域上为等间距光梳，覆盖极紫外(extremeultra-violet，XUV)至软X射线波段；在时域上则是单个脉宽为几十至几百阿秒的序列相干光脉冲。

1987年，卢利尔发现，当她通过惰性气体传输红外激光时，会产生许多不同的光的泛音。每个泛音都是一个光波，激光中每个周期都有给定的周期数。它们是由激光与气体中的原子相互作用引起的；它给一些电子额外的能量，然后以光的形式发射出来。勒惠利尔继续探索这一现象，为后续的突破奠定了基础。

1993年，Corkum提出了强场电离的三步模型，成为HHG和阿秒光学的理论基础。基于此模型，1994年， Lewenstein等人和Corkum等人利用量子理论对HHG进行了细致的描述，并预言了单个或称“孤立”阿秒脉冲(isolatedattosecondpulse，IAP，区别于HHG的阿秒脉冲序列)产生的理论和方法。由于在瞬态测量中，高次谐波难以提供阿秒精度的时间零点和测量误差，人们在实验中采用了多种选通方法从HHG中获得孤立阿秒脉冲。

2001年，克劳斯等人使用7fs的飞秒钛宝石放大激光驱动Ne气产生HHG的基础上，通过互相关测量该7fs驱动激光与滤波HHG后的90eV极紫外光在Kr气中产生的光电子动量分布，证明了150as的时间分辨测量能力，获得了650as的单个孤立阿秒脉，标志着人类打开了阿秒世界的大门。作为所能产生的最短时间尺度，阿秒脉冲的诞生自然而然地掀起了相关研究的热潮，同年，阿戈斯蒂尼及其同事通过双光子、双电离测量（简称RABBITT或RABBIT）由40fs的飞秒钛宝石放大激光与Ar气相互作用产生的高次谐波相位，得到了脉冲宽度为250as、相邻脉冲间隔为1.35fs的阿秒脉冲串。2003年，卢利尔和她的团队以170as的最小激光脉冲打破了世界纪录。2006 年意大利科学家M. Nisoli产生了130 as的当时最短脉冲，2008 年F. Krausz 教授到德国马普量子光学所后的研究组再将这一纪录突破到80as。2009年，克劳斯的研究小组已经产生并测量了第一个阿秒光脉冲，并将其用于捕获原子内部电子的运动，标志着阿秒物理学的诞生。

2010年，Goulielmakis等人发表了利用阿秒脉冲研究氪离子中电子波包超快动力学的成果：他们在实验中观察到了氪离子阿秒脉冲吸收谱随时间的振荡，并推算出了氪离子的电子波包在两个能级之间的振荡跃迁，跃迁时间约为3fs，测量精度达到了150as。2012年，Zhao等人获得了脉宽67as的测量结果；次年，中国科学院物理研究所获得了160 as的孤立脉冲。2017年，Li等人通过中红外驱动光产生了光子能量高至水窗波段、脉宽为53as的孤立脉冲；同年稍晚， Gaumnitz等人报道了43as的最短阿秒脉冲产生世界纪录。

相关原理

要产生超短时间的脉冲激光，需要两个关键要素：电磁波的带宽和中心波长；

根据傅立叶变换，光脉冲的可用光谱带宽越大，其持续时间可能越短。对于给定的脉冲中心波长，可利用的最小持续时间存在下限，这个极限就是光周期。实际上，对于以低频区域为中心的脉冲，例如红外（IR）

诺奖相关

瑞典皇家科学院10月3日在斯德哥尔摩（Pierre Agostini）宣布，2023 年诺贝尔物理学奖授予皮埃尔-阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、费伦茨-克劳斯（Ferenc Krausz）和安妮·卢利尔（Anne L'Huillier），以表彰他们 “为研究物质中的电子动力学而产生阿秒光脉冲的实验方法”。

诺贝尔委员会表示，这三位物理学家 ”展示了一种产生极短光脉冲的方法，可用于测量电子移动或能量变化的快速过程“，这 ”为人类探索原子和分子内部的电子世界提供了新的工具，获奖者的贡献使人们能够研究以前无法跟踪的快速过程“。

原子和分子内电子的运动是如此之快，以至于需要用阿秒来测量-这是一个几乎短得令人难以理解的时间单位。诺贝尔委员会解释说："阿秒与一秒的关系就像一秒与宇宙年龄的关系一样。“

相关应用

基础物理

发展建立超高时空分辨泵浦-探测技术，在阿秒-纳米时空尺度上系统研究可控光场与量子点、纳米线、金属纳米结构及其复合系统等的相互作用，发现新现象与新效应，揭示新物理与新机制。通过开展阿秒激光超快动力学及其应用研究，采用阿秒泵浦探测技术观测、研究介质的阿秒超快动力学过程与特性，研究阿秒激光脉冲作用下纳米材料的光学性质、超快过程探测以揭示光与物质相互作用的物理机制。

化学

利用阿秒光脉冲极短的持续时间（1fs≈10s），可以观察到极快的化学反应过程，包括分子键的断裂与重组，分子与原子的振动过程等等。飞秒化学是物理化学的一个研究领域，在 1988 年的《Science》上，Ahmed Hassan Zewail 发表了一篇文章，首次使用了这一术语，并指出："实时飞秒化学，即飞秒时间尺度上的化学......"后来，Ahmed Zewail于 1999 年获得了诺贝尔化学奖，以表彰他在这一领域的开创性工作。

生物医学

在生物医学领域，癌症作为世纪难题，当前普遍认为其诱因是紫外辐射导致的DNA损伤，但受限于现有的技术手段，该推论无法得到确认。DNA分子由原子构成，而原子又包含电子和原子核，借助阿秒脉冲，科学家就有可能在更微观、更基础的层面看清DNA损伤内在的电子运动过程，理清紫外辐射导致的DNA损伤与肿瘤癌变的生理关联，无疑这将使癌变的预防、诊断及治疗更加有的放矢。

材料科学

超导技术具有广阔的应用前景，如磁悬浮技术、超远距离大容量电力输送等国计民生领域，但在经历了几十年的发展后至今依然局限在低温超导研究层面，并没有实用化，其根本原因在于超导微观机理仍然没有得到系统解释。而借助于阿秒脉冲，科学家便有可能准确跟踪电子库珀对的配对过程，清楚看到怎样的电子配对机制能导致超导现象，如此再通过电子光场调控，便可将低温超导拓展至常温甚至高温超导，这势必将推动超导技术的实用化进程。类似的应用也可推广到光伏技术领域。