阿秒激光脉冲的产生和测量

什么是阿秒

阿秒是一个非常短的时间单位，1阿秒=10^-18秒。到底有多短呢？1秒中光传播的距离可以绕地球7.5圈，而1阿秒中光只能从水分子的一端传播到另一端。

图1. 光在不同时间尺度下传播的距离。

换个角度，如果将1阿秒与1秒相比，相当于将1秒与宇宙的年龄相比。

图2. 从电子运动到宇宙年龄的时间示意。

为什么需要阿秒激光脉冲

众所周知，要用照相机捕捉运动中物体的姿态，必须用足够快的快门速度，把曝光时间限制在一个极短的时间范围内，在这个时间范围，物体可以认为是不动的。因此运动越快的物体，需要的曝光时间越短，比如要拍摄运动中的高速跑车，需要毫秒量级的曝光时间；要拍摄核爆瞬间的景象，需要纳秒量级的曝光时间。

然而，比起这些宏观运动，微观粒子具有更快的运动速度；作为构成物质的基本单元，它们的运动状态直接决定着物质的性质，因此研究它们的动力学行为非常重要。

图3. 分子中不同的运动对应的时间尺度。

图3是常见微观粒子运动的时间尺度。分子转动的时间尺度为皮秒量级，振动的时间尺度在飞秒量级。化学反应中，最后形成分子的两个原子甚至常常需要纳秒才能相遇。这些原子的运动行为由相关电子的运动状态所决定，而电子运动的时间尺度常常在阿秒量级，比如基态氢原子中电子绕核运动一周需要150阿秒。

现代超快激光技术的发展使得激光脉冲的持续时间在皮秒甚至飞秒的时间范围，提供了前所未有的时间分辨能力，成为研究原子、分子运动行为的唯一工具，相关研究领域称为超快科学。那么要研究原子、分子、固体中电子的动力学行为就需要阿秒的时间分辨率，这就需要阿秒激光脉冲。

阿秒激光脉冲的产生和测量

由于可见光的周期为1~3个飞秒，激光脉冲一般很难短于对应的光波周期，因此要产生阿秒脉冲，激光波长应处于极紫外及X射线波段。传统的方法无法产生如此短的脉冲和波长。目前获得阿秒脉冲需要通过飞秒激光与惰性气体相互作用产生高次谐波这种极端非线性过程。将高能量的飞秒激光脉冲聚焦并与惰性气体作用，当焦点上激光功率密度达到10^14 W/cm2，相互作用区域原子核外电子在线偏振激光场的作用下在原子核的两边振动。

由于激光场太强（与原子核吸引电子的库伦场差不多），电子振动的幅度可以远大于原子的尺寸，或者说电子在振动中脱离了原子核的束缚，在强激光场中加速，当激光场反向电子再次回到原子核周围时，将在此过程中吸收的成百上千的光子能量以新的光子释放，回到起初的状态。新释放的光子能量达到激光光子能量的几百到上千倍处于极紫外。这样的过程每半个光波周期就发生一次，从而辐射过程短于半个光波周期（1飞秒左右），形成以半个光波周期为间隔的一串阿秒脉冲。

图4. 阿秒脉冲产生的示意图。

对微观粒子超快过程的测量需要使用泵浦探测技术，先由泵浦激光脉冲与待测系统相互作用，激发起一个超快过程，再由探测激光脉冲通过一定延时与系统作用，通过测量不同延时下相互作用的最后产物就可以获得整个超快过程的演化规律。

上述高次谐波产生过程所获得的是阿秒脉冲串，并不适合泵浦探测实验。要获得真正研究电子运动的工具，必须产生单个阿秒脉冲，这就需要将高次谐波的产生限制在极短的时间范围内，从而只得到脉冲串中的一个。主要方法有振幅选通、偏振选通和电离选通等。

图5. 高次谐波产生原理示意图。

阿秒脉冲测量的主要方法为阿秒条纹相机法，这种方法以阿秒脉冲为泵浦光，以载波包络相位锁定的周期量级激光脉冲的电场振荡为时间参考，通过周期量级的激光场加速阿秒脉冲电离的光电子，将电子波包的时间分布转化为动能分布，通过精细测量光电子动能最终获得阿秒脉冲的时间特性。

这种方法不仅可以测量脉宽、啁啾等时间特性，还可以扫描出测量中所用周期量级激光场的波形曲线，实现了人类第一次在阿秒时间尺度上对光波波形的成像。同时此方法也可以在已知阿秒脉的情况下测量电子运动的时间特性。

阿秒激光脉冲研究的历史和现状

高次谐波产生发现于1987年，然而直到2001年，法国的一个课题组才第一次测量到阿秒脉冲串的脉宽，也是在这一年，奥地利的Krausz教授带领的小组通过振幅选通的方法测到了第一个单个阿秒脉冲。振幅选通的关键在于产生一个载波包络相位稳定的，周期量级的高强度飞秒脉冲，对实验技术提出了非常苛刻的要求，目前世界上只有为数不多的实验室能够完成。

后来他们又用这种方法，通过3.3飞秒的脉冲驱动，产生了80阿秒的脉冲，成为世界上第一个获得100阿秒以下脉冲的研究小组。偏振选通是利用了高次谐波产生的偏振依赖性——驱动光必须为线偏振光，构造出一个只在极短的时间内为线偏振的脉冲，其驱动的高次谐波只在极短的时间内产生。2006年，意大利科学家用这种方法产生了脉宽为130阿秒的脉冲。美国中佛罗里达大学的常增虎教授在偏振选通的基础上发明了双光学选通方法，通过驱动光中加入二倍频使得阿秒脉冲串的脉冲时间间隔由半个周期增加到一个周期，从而使得驱动脉宽的限制放宽到10飞秒。

他们利用这种方法，获得了当时世界上最短的激光脉冲67阿秒。2017年在西安召开的国际阿秒物理会议上，该课题组与瑞士的科学家各自报道了新的世界纪录——53阿秒。以上所有这些方法，对驱动脉冲的脉宽都有极为严苛的要求，同时都要求载波包络相位稳定。目前能够满足这些要求的激光脉冲，在实验上很难产生，只有少量实验室拥有这样的条件。

我国在飞秒激光技术及超快应用研究方面具有较好的研究基础，在国家自然科学基金项目、国家“攀登计划”项目及973等项目的持续支持下，已在飞秒激光脉冲的产生、放大、超快光谱及强场物理等研究方面建成了一批具有国际水平的实验室，如中科院物理研究所、西安光机所、上海光机所、天津大学、北京大学、中山大学等，并取得了一系列重要结果。

国内利用飞秒激光驱动高次谐波产生的工作，始于上世纪90年代，在理论和实验上都取得了很多成果。对于单个阿秒脉冲的产生和测量，由于苛刻的实验要求，一直难以突破。中国科学院物理所多年来一直致力于超快飞秒激光的研究，建成了载波包络相位稳定的5飞秒激光，并在此基础上建成国内首条阿秒激光束线，于2013年实现了单个阿秒脉冲的产生和测量，得到160阿秒的脉冲，该阿秒装置为我国阿秒科学在物质科学中的应用提供了很好的平台。

阿秒激光脉冲在电子动力学测量中的应用

阿秒脉冲作为电子动力学测量的工具，在原子、分子、表面以及固体内部电子动力学行为测量中具有重要应用。这方面的研究集中在对光电效应过程中处于不同能级或能带的电子电离时间差的测量，测量结果在一定程度上挑战了传统物理学的认识。

光电效应即光致电离，是导致量子力学产生的重要物理过程之一。人们对它的理解常常局限于对能量的探究，而对其的时间属性少有涉及，主要因为它太快而无法探测。量子力学认为单电子电离过程是即刻发生的，然而严格来说，这一过程并非单电子过程，它无法排除原子中其他电子的影响，所以电离过程发生的时间对应于从光子到达原子直到电子完成重新安排这一个时间段，当重新安排完成了，这一电子就认为被电离了，如图6所示。

图6. 电子发生光电离过程的不同量子路径。

阿秒脉冲由于其非常宽的光谱以及XUV波段的光子能量，能够同时使得原子不同能级电离，比如（图6）电子分别从Ne的2s和2p能级电离。电子从不同能级电离，导致其他电子需要做出的安排不同，形成两个不同电离通道。德国马普量子光学研究所的科学家，利用阿秒脉冲测量了这个时间差，结果显示2s和2p能级电子光电离所需要的时间差为20阿秒。

把这种测量方法用于固体内部，同样可以测量固体中不同能带电子电离的时间差。对单晶邬中的导带和4f芯能级做同样的测量，结果发现这两个电离通道电离的时间差为100阿秒左右。进一步优化实验条件，可以测量纯净的固体表面电子光电离的时间差。

阿秒激光脉冲在发展高速电子计算机中的应用

现代电子技术的基本单元是半导体晶体管。半导体因其导带和价带之间有一定的能量间隔但又不大，只需要较小的电场就可以控制电子在导带和价带间跃迁，从而控制材料中电子的运动，实现开关电路。然而同样由于其能带间隔较小，导致其响应时间较慢。理论上目前的半导体晶体管可以提供的最大响应速度为100 GHz（10^9 Hz），其频率属于微波波段，也称为微波电子学。

由于热效应等其他原因，实际产品最大响应速度仅为3-5 GHz，这就是我们今天计算机CPU的最大处理频率。要进一步提升计算机的速度，就需要应用能带间隔更大的材料，这些材料通常是绝缘体，需要更强的电场才能驱动电子的运动，然而强的电场又会使绝缘体发生击穿而损坏，这成为目前电子技术无法突破的瓶颈。

最近阿秒物理的一系列研究结果给这一瓶颈的突破带来了希望。来自德国的科学家研究了超强激光与玻璃相互作用时电子的超快动力学，利用阿秒脉冲进行测量，发现强激光可以在玻璃中驱动产生瞬时电流，这一电流响应时间小于1飞秒，可以完全跟光波的振荡同步，响应频率可达PHz（10^15 Hz）。

进一步研究发现，虽然光波场的强度很高，但由于驱动激光脉宽仅几个飞秒，在如此短的时间内并不会造成材料击穿，而且电流造成的影响可迅速复原。这一结果显示利用光波驱动绝缘体中电子的运动，可以实现PHz的电子开关，将现有的电路响应速度提高10000倍，为新一代高速电子计算机的发展奠定基础，电子学也将进入新的阶段——光波电子学。

最新研究成果显示，光波在玻璃中驱动瞬态电流这一过程中，通过选择合适的光场强度，能量损失基本可以忽略。说明如果利用这一过程制作集成电路，其发热会远远小于当前电子产品，有利于电路的进一步集成和响应频率的进一步提高。当然阿秒物理的这些研究成果只是为下一代高速电路的发展带来了曙光，要实现这一梦想还有大量研究工作要做。

阿秒激光在很多研究领域都有潜在的应用，比如探测生物大分子中电荷的转移动力学有助于揭开很多生命现象的机理，解决相关的医学问题；测量化学反应中化学键的形成过程有助于研究新物质的合成。总之，阿秒物理作为一门年轻的学科其研究才刚刚开始。

审核编辑：刘清