阿秒激光获诺奖，你一定绕不开Nature的这篇文章｜2023诺贝尔物理学奖公布

北京时间2023年10月3日17时45分，2023年诺贝尔物理学奖公布。获奖者分别是美国俄亥俄州立大学的皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、德国马克斯·普朗克量子光学研究所的费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）以及瑞典隆德大学的安妮·吕利耶（Anne L"Huillier）。

获奖理由：

表彰他们创建了一种“产生阿秒光脉冲的实验方法”，可用于测量电子移动或改变能量的快速过程，为人类探索原子和分子内的电子世界提供了新工具。

(资料图片)

阿秒是一秒钟的一百万分之一的一百万分之一的一百万分之一。如果把你生命中的下一秒钟扩展为宇宙的历史的话，那么一阿秒将相当于宇宙历史长河中不足一秒的时间。

在一阿秒（10^-18秒）时间内，光只能行进比单个水分子的长度长不太多的距离，水分子本身也将表现为凝固状态。分子的固有振动周期超过几万阿秒，而其转动一周将需要几百万阿秒——相对振动来说时间很长。即使原子中电子的快速运动过程一般估计也得需要几百至几千阿秒的时间，而可见光波振荡一个周期大约需要2000阿秒。

谈及阿秒光脉冲技术，我们一定绕不开这篇文章：2003年2月6日，《自然》杂志发表了一篇惊世骇俗的文章，题为《利用强光场对电子过程进行阿秒控制》，令众多学界同行印象深刻，也引领了物理学潮流。

鲍塔斯卡（Baltuka）等人在阿秒尺度上对光进行了处理，并利用处理过的光以相同的时间精度来控制电子的运动。这项工作是由德国马克斯 • 普朗克量子光学研究所西奥多 • 汉斯（Theodor Hänsch）研究组的精密测量小组和奥地利维也纳工业大学弗兰克 • 克劳兹 （Ferenc Krausz） 研究组的超快激光技术小组合作完成的。

克劳兹、汉斯及他们的同事们把两项由他们的研究工作发展起来的技术亚飞秒软X射线产生技术和全光频标技术完美地结合成超快激光技术，进而取得了上述辉煌的进展。

亚飞秒软X射线产生技术和全光频标技术的工作基础都是克尔透镜锁模激光器，它是超快科学研究的主要工具，在世界上大多数超快研究实验室中都能发现它的身影。它可以通过一种被称为克尔透镜效应[以苏格兰物理学家约翰 • 克尔 （John Kerr，1824～1907） 命名的一种效应]的非线性效应在光谱的近红外区产生一连串连续不断的持续时间为10～100飞秒 （10000～100000阿秒） 的光脉冲。

克尔透镜是由光自身产生的，可以促使激光器谐振腔中的光子聚集成极短的光脉冲。这些光脉冲可以被认为是囚禁在单个短包络中的、在激光器谐振腔端镜之间来回反射的电磁波。如果两个端镜中的一个是部分透射的，那么脉冲每反射一个来回就会有一小部分从谐振腔中透射出去，产生一连串输出脉冲。

然而，虽然输出脉冲是由激光器谐振腔内电磁波在每反射一个来回之后相继连续透射出来的，但在输出脉冲串中的每个脉冲看上去却并不是完全相同的。脉冲的光学载波在每次反射之后都会有相当于一个周期的一小部分的位移，这是因为载波频率与脉冲的重复频率不相匹配——即光波频率与脉冲的重复频率的比值不是整数。如果这一比值为整数，则光波频率就会仅与激光器谐振腔内电磁波来回反射的频率有关系。

汉斯认识到如果能克服这种缺陷，就有可能建立全光频标，进而显著地简化和改善时间的测量精度。他的研究组发现了一个解决这一问题的方法，研制出了被称为“光学梳状发生器”的装置，使时间标准的研究工作发生根本性的变革。

与此同时，克劳兹研究组积极寻求克尔透镜激光器的一种不同应用。他们仅仅经过几个周期就把激光的峰值功率放大到了1000亿瓦，以产生短波射线爆丛。利用强激光产生高能超短光脉冲是一件非同凡响的事。直接的激光放大过程将会毁坏激光器及其输出光场，因为这里的激光光强大得足以劈裂原子。这一灾害可以利用名称奇异的非同寻常的技术——即啁啾脉冲放大、中空光纤自相位调制以及啁啾镜压缩等技术加以避免。超快光学已发展成为一项高技术，而克劳兹正是该领域的艺术大师。

当高功率的光束聚焦到蒸气中的原子上的时候，原子会以多种方式发生反应。有些原子会快速电离，通过一种被称为“超阈值电离”的过程产生大量的高能电子。另外一些原子吸收入射激光，然后再辐射出非常高的高次谐波 （或多倍于激光频率） 的光。这种高次谐波辐射可以形成一个脉冲持续时间低于1飞秒的非常好的软X射线源。

克劳兹研究组和其他一些人已经研究了高次谐波产生的机理。理论认为高次谐波起因于电离出来的母原子在重新碰撞过程中所产生的相干辐射。如果是这样的话 （实验似乎证实了这一点） ，那么就会在激光场的每个周期内形成阿秒软X射线爆丛。因此，X射线爆丛的模式将与脉冲包络中的光学载波的模式相匹配——这正是汉斯研究组和克劳兹研究组的工作的交汇处。

当克劳兹的激光器通过汉斯的技术获得稳定之后，激光放大器就会产生功率为1000亿瓦的一模一样的光脉冲了。这就意味着在激光焦点处从原子中剥离出来的电子将按照相同的途径在脉冲的相同区段与它们的母原子重新碰撞，并产生记录下这一剧烈运动的光谱和电子谱。所有以前的实验都要被迫在不同的激光脉冲上来求平均值，因此抹掉了原子尺度过程的若干特性。尤其是，现在发现谐波谱竟然并不总是“谐波 （泵浦频率的整数倍） ”。相反，谐波谱要受到发生于驱动光场相继周期的不同部分的相继X射线爆丛之间的相干干涉的调制。

汉斯、克劳兹及其同事们在产生锁频高强度激光脉冲方面所获得的成功，标志着“阿秒物理” （阿秒时间尺度物理过程的研究） 时代的开始。

阿秒物理时代

阿秒是电子在原子内部运动的时间尺度：电子绕氢原子核一周大约是150阿秒；而阿秒物理学 (attosecond physics) 是研究这样一个超短时间尺度内所产生的一切现象，其中包括原子内部电子、原子核的运动。

开展阿秒物理学研究将拓展在飞秒(1飞秒为10^－15秒)时间尺度内对分子的核运动的研究范围，使直接观测约100阿秒时间尺度内电子的运动成为可能，这对于人们认识更短时间内微观世界的物质运动将有非常重要的意义。

新型超强超短脉冲激光的出现与发展，为人类提供了前所未有的全新实验手段与极端的物理条件。就时间尺度而言，人类已由飞秒时代稳步迈进亚飞秒甚至阿秒时代，这对自然科学和人类社会的进步产生了重要影响。

阿秒脉冲的产生

阿秒脉冲的出现是新型超强超短脉冲激光的迅速发展的结果。严格说来，纯粹的光学脉冲不能被压缩至1飞秒以内 (时域和频域的转换限制需要比可见光谱更宽的带宽来产生亚飞秒脉冲) 。然而，光学飞秒脉冲可以用来产生高次谐波脉冲，该脉冲可持续阿秒时间，并跨越更大的频率范围，达到真空紫外波段和软X射线波段，为探索新的物理过程开辟了道路。

阿秒脉冲产生过程依赖于高强度飞秒脉冲中电场的快速振荡。当光与原子相遇时，高强度电场能使价电子克服原子核的束缚，从原子中逃逸出来。然而，外加电场又迅速反向，将逃逸的电子重新拉回原子核；而被重新捕获的电子将其额外能量以脉冲辐射的形式在几百阿秒的时间内释放出来。如果驱动的激光是长脉冲，这时产生的阿秒脉冲是一个脉冲链，脉冲之间的间隔为半个激光周期。

这样的脉冲链还难以观测到原子、分子内部电子的动力学过程。要清晰地观测到物质内部电子的运动，还需要单个的阿秒脉冲——单个的亚飞秒脉冲产生于由只包括几个光学振荡的、脉宽为几个飞秒的周期量级超短激光脉冲驱动和控制的电子与母离子的二次碰撞过程。这无疑应归功于激光脉冲压缩和功率放大技术的发展。

而周期量级飞秒脉冲及其与物质相互作用过程中产生的软X射线脉冲，打开了在阿秒时间尺度探索原子和分子中发射电子运动的大门，目前开展了探测由X射线协同周期量级超短激光脉冲的振荡电场电离产生的光电子的研究。通过观测这种被理解为光场驱动条纹相机模式下的光电子发射，可以得到阿秒脉冲的宽度。在同样的实验系统中，跟踪直接出射光电子以外的散射电子的运动轨迹，提供了在时域研究内壳层原子或分子动力学的途径。

阿秒脉冲的应用

阿秒脉冲最直接的应用是原子内部电子过程的观测。

众所周知，物质是由分子和原子组成的，但它们不是静止的，这是微观物质的一个非常重要的基本属性。而飞秒激光的出现，使人类第一次在原子和电子层面上观察到这一运动过程。

20世纪80年代末，加州理工学院的Zewail教授采用飞秒激光技术，拍摄到了100万亿分之一秒瞬间处于化学反应中的原子的化学键断裂和形成以及单个原子的运动过程，使得人们可以通过“慢动作”来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。Zewail教授为此开辟了飞秒化学的研究领域，并于1999年获得诺贝尔化学奖。

飞秒科学虽然对物理和化学的发展产生了巨大的影响，但对于像电子的运动来说，飞秒还是太慢了 (电子振动的时间单位是另一层次——阿秒的世界) 。红外线与可见光一次振动需要几个飞秒，无法实现阿秒时间尺度的测量；而阿秒脉冲的魅力在于它开辟了一个新的时间疆域――和飞秒脉冲很相似，阿秒脉冲在低于1飞秒的曝光时间内可摄取原子中电子动力学快照的崭新应用，必将在微观世界的研究中起到开疆破土的重要作用。

除了揭示自然科学的奥妙之外，阿秒脉冲会对人们的工作和生活有什么影响？ 想想飞秒激光是如何改变人们的生活的。

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，并在物理学、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。

包括高功率飞秒激光在医学、超精细微加工、高密度信息储存在内等领域有着很好的发展前景，如高功率飞秒激光可以将大气击穿，从而制造放电通道，实现人工引雷，避免飞机、火箭、发电厂因天然雷击而造成的灾难性破坏；利用飞秒激光可以有效地加速电子，使加速器的规模得到上千倍的压缩……了解了这些之后，还不对阿秒脉冲巨大的潜在应用满怀憧憬？诺奖的评委们，他们一定是懂的！

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