阿秒激光脈沖的產(chǎn)生和測量

什么是阿秒

阿秒是一個非常短的時間單位，1阿秒=10^-18秒。到底有多短呢？1秒中光傳播的距離可以繞地球7.5圈，而1阿秒中光只能從水分子的一端傳播到另一端。

圖1. 光在不同時間尺度下傳播的距離。

換個角度，如果將1阿秒與1秒相比，相當(dāng)于將1秒與宇宙的年齡相比。

圖2. 從電子運動到宇宙年齡的時間示意。

為什么需要阿秒激光脈沖

眾所周知，要用照相機(jī)捕捉運動中物體的姿態(tài)，必須用足夠快的快門速度，把曝光時間限制在一個極短的時間范圍內(nèi)，在這個時間范圍，物體可以認(rèn)為是不動的。因此運動越快的物體，需要的曝光時間越短，比如要拍攝運動中的高速跑車，需要毫秒量級的曝光時間；要拍攝核爆瞬間的景象，需要納秒量級的曝光時間。

然而，比起這些宏觀運動，微觀粒子具有更快的運動速度；作為構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，它們的運動狀態(tài)直接決定著物質(zhì)的性質(zhì)，因此研究它們的動力學(xué)行為非常重要。

圖3. 分子中不同的運動對應(yīng)的時間尺度。

圖3是常見微觀粒子運動的時間尺度。分子轉(zhuǎn)動的時間尺度為皮秒量級，振動的時間尺度在飛秒量級?；瘜W(xué)反應(yīng)中，最后形成分子的兩個原子甚至常常需要納秒才能相遇。這些原子的運動行為由相關(guān)電子的運動狀態(tài)所決定，而電子運動的時間尺度常常在阿秒量級，比如基態(tài)氫原子中電子繞核運動一周需要150阿秒。

現(xiàn)代超快激光技術(shù)的發(fā)展使得激光脈沖的持續(xù)時間在皮秒甚至飛秒的時間范圍，提供了前所未有的時間分辨能力，成為研究原子、分子運動行為的唯一工具，相關(guān)研究領(lǐng)域稱為超快科學(xué)。那么要研究原子、分子、固體中電子的動力學(xué)行為就需要阿秒的時間分辨率，這就需要阿秒激光脈沖。

阿秒激光脈沖的產(chǎn)生和測量

由于可見光的周期為1~3個飛秒，激光脈沖一般很難短于對應(yīng)的光波周期，因此要產(chǎn)生阿秒脈沖，激光波長應(yīng)處于極紫外及X射線波段。傳統(tǒng)的方法無法產(chǎn)生如此短的脈沖和波長。目前獲得阿秒脈沖需要通過飛秒激光與惰性氣體相互作用產(chǎn)生高次諧波這種極端非線性過程。將高能量的飛秒激光脈沖聚焦并與惰性氣體作用，當(dāng)焦點上激光功率密度達(dá)到10^14 W/cm2，相互作用區(qū)域原子核外電子在線偏振激光場的作用下在原子核的兩邊振動。

由于激光場太強(qiáng)（與原子核吸引電子的庫倫場差不多），電子振動的幅度可以遠(yuǎn)大于原子的尺寸，或者說電子在振動中脫離了原子核的束縛，在強(qiáng)激光場中加速，當(dāng)激光場反向電子再次回到原子核周圍時，將在此過程中吸收的成百上千的光子能量以新的光子釋放，回到起初的狀態(tài)。新釋放的光子能量達(dá)到激光光子能量的幾百到上千倍處于極紫外。這樣的過程每半個光波周期就發(fā)生一次，從而輻射過程短于半個光波周期（1飛秒左右），形成以半個光波周期為間隔的一串阿秒脈沖。

圖4. 阿秒脈沖產(chǎn)生的示意圖。

對微觀粒子超快過程的測量需要使用泵浦探測技術(shù)，先由泵浦激光脈沖與待測系統(tǒng)相互作用，激發(fā)起一個超快過程，再由探測激光脈沖通過一定延時與系統(tǒng)作用，通過測量不同延時下相互作用的最后產(chǎn)物就可以獲得整個超快過程的演化規(guī)律。

上述高次諧波產(chǎn)生過程所獲得的是阿秒脈沖串，并不適合泵浦探測實驗。要獲得真正研究電子運動的工具，必須產(chǎn)生單個阿秒脈沖，這就需要將高次諧波的產(chǎn)生限制在極短的時間范圍內(nèi)，從而只得到脈沖串中的一個。主要方法有振幅選通、偏振選通和電離選通等。

圖5. 高次諧波產(chǎn)生原理示意圖。

阿秒脈沖測量的主要方法為阿秒條紋相機(jī)法，這種方法以阿秒脈沖為泵浦光，以載波包絡(luò)相位鎖定的周期量級激光脈沖的電場振蕩為時間參考，通過周期量級的激光場加速阿秒脈沖電離的光電子，將電子波包的時間分布轉(zhuǎn)化為動能分布，通過精細(xì)測量光電子動能最終獲得阿秒脈沖的時間特性。

這種方法不僅可以測量脈寬、啁啾等時間特性，還可以掃描出測量中所用周期量級激光場的波形曲線，實現(xiàn)了人類第一次在阿秒時間尺度上對光波波形的成像。同時此方法也可以在已知阿秒脈的情況下測量電子運動的時間特性。

阿秒激光脈沖研究的歷史和現(xiàn)狀

高次諧波產(chǎn)生發(fā)現(xiàn)于1987年，然而直到2001年，法國的一個課題組才第一次測量到阿秒脈沖串的脈寬，也是在這一年，奧地利的Krausz教授帶領(lǐng)的小組通過振幅選通的方法測到了第一個單個阿秒脈沖。振幅選通的關(guān)鍵在于產(chǎn)生一個載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的，周期量級的高強(qiáng)度飛秒脈沖，對實驗技術(shù)提出了非?？量痰囊?，目前世界上只有為數(shù)不多的實驗室能夠完成。

后來他們又用這種方法，通過3.3飛秒的脈沖驅(qū)動，產(chǎn)生了80阿秒的脈沖，成為世界上第一個獲得100阿秒以下脈沖的研究小組。偏振選通是利用了高次諧波產(chǎn)生的偏振依賴性——驅(qū)動光必須為線偏振光，構(gòu)造出一個只在極短的時間內(nèi)為線偏振的脈沖，其驅(qū)動的高次諧波只在極短的時間內(nèi)產(chǎn)生。2006年，意大利科學(xué)家用這種方法產(chǎn)生了脈寬為130阿秒的脈沖。美國中佛羅里達(dá)大學(xué)的常增虎教授在偏振選通的基礎(chǔ)上發(fā)明了雙光學(xué)選通方法，通過驅(qū)動光中加入二倍頻使得阿秒脈沖串的脈沖時間間隔由半個周期增加到一個周期，從而使得驅(qū)動脈寬的限制放寬到10飛秒。

他們利用這種方法，獲得了當(dāng)時世界上最短的激光脈沖67阿秒。2017年在西安召開的國際阿秒物理會議上，該課題組與瑞士的科學(xué)家各自報道了新的世界紀(jì)錄——53阿秒。以上所有這些方法，對驅(qū)動脈沖的脈寬都有極為嚴(yán)苛的要求，同時都要求載波包絡(luò)相位穩(wěn)定。目前能夠滿足這些要求的激光脈沖，在實驗上很難產(chǎn)生，只有少量實驗室擁有這樣的條件。

我國在飛秒激光技術(shù)及超快應(yīng)用研究方面具有較好的研究基礎(chǔ)，在國家自然科學(xué)基金項目、國家“攀登計劃”項目及973等項目的持續(xù)支持下，已在飛秒激光脈沖的產(chǎn)生、放大、超快光譜及強(qiáng)場物理等研究方面建成了一批具有國際水平的實驗室，如中科院物理研究所、西安光機(jī)所、上海光機(jī)所、天津大學(xué)、北京大學(xué)、中山大學(xué)等，并取得了一系列重要結(jié)果。

國內(nèi)利用飛秒激光驅(qū)動高次諧波產(chǎn)生的工作，始于上世紀(jì)90年代，在理論和實驗上都取得了很多成果。對于單個阿秒脈沖的產(chǎn)生和測量，由于苛刻的實驗要求，一直難以突破。中國科學(xué)院物理所多年來一直致力于超快飛秒激光的研究，建成了載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的5飛秒激光，并在此基礎(chǔ)上建成國內(nèi)首條阿秒激光束線，于2013年實現(xiàn)了單個阿秒脈沖的產(chǎn)生和測量，得到160阿秒的脈沖，該阿秒裝置為我國阿秒科學(xué)在物質(zhì)科學(xué)中的應(yīng)用提供了很好的平臺。

阿秒激光脈沖在電子動力學(xué)測量中的應(yīng)用

阿秒脈沖作為電子動力學(xué)測量的工具，在原子、分子、表面以及固體內(nèi)部電子動力學(xué)行為測量中具有重要應(yīng)用。這方面的研究集中在對光電效應(yīng)過程中處于不同能級或能帶的電子電離時間差的測量，測量結(jié)果在一定程度上挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)物理學(xué)的認(rèn)識。

光電效應(yīng)即光致電離，是導(dǎo)致量子力學(xué)產(chǎn)生的重要物理過程之一。人們對它的理解常常局限于對能量的探究，而對其的時間屬性少有涉及，主要因為它太快而無法探測。量子力學(xué)認(rèn)為單電子電離過程是即刻發(fā)生的，然而嚴(yán)格來說，這一過程并非單電子過程，它無法排除原子中其他電子的影響，所以電離過程發(fā)生的時間對應(yīng)于從光子到達(dá)原子直到電子完成重新安排這一個時間段，當(dāng)重新安排完成了，這一電子就認(rèn)為被電離了，如圖6所示。

圖6. 電子發(fā)生光電離過程的不同量子路徑。

阿秒脈沖由于其非常寬的光譜以及XUV波段的光子能量，能夠同時使得原子不同能級電離，比如（圖6）電子分別從Ne的2s和2p能級電離。電子從不同能級電離，導(dǎo)致其他電子需要做出的安排不同，形成兩個不同電離通道。德國馬普量子光學(xué)研究所的科學(xué)家，利用阿秒脈沖測量了這個時間差，結(jié)果顯示2s和2p能級電子光電離所需要的時間差為20阿秒。

把這種測量方法用于固體內(nèi)部，同樣可以測量固體中不同能帶電子電離的時間差。對單晶鄔中的導(dǎo)帶和4f芯能級做同樣的測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩個電離通道電離的時間差為100阿秒左右。進(jìn)一步優(yōu)化實驗條件，可以測量純凈的固體表面電子光電離的時間差。

阿秒激光脈沖在發(fā)展高速電子計算機(jī)中的應(yīng)用

現(xiàn)代電子技術(shù)的基本單元是半導(dǎo)體晶體管。半導(dǎo)體因其導(dǎo)帶和價帶之間有一定的能量間隔但又不大，只需要較小的電場就可以控制電子在導(dǎo)帶和價帶間躍遷，從而控制材料中電子的運動，實現(xiàn)開關(guān)電路。然而同樣由于其能帶間隔較小，導(dǎo)致其響應(yīng)時間較慢。理論上目前的半導(dǎo)體晶體管可以提供的最大響應(yīng)速度為100 GHz（10^9 Hz），其頻率屬于微波波段，也稱為微波電子學(xué)。

由于熱效應(yīng)等其他原因，實際產(chǎn)品最大響應(yīng)速度僅為3-5 GHz，這就是我們今天計算機(jī)CPU的最大處理頻率。要進(jìn)一步提升計算機(jī)的速度，就需要應(yīng)用能帶間隔更大的材料，這些材料通常是絕緣體，需要更強(qiáng)的電場才能驅(qū)動電子的運動，然而強(qiáng)的電場又會使絕緣體發(fā)生擊穿而損壞，這成為目前電子技術(shù)無法突破的瓶頸。

最近阿秒物理的一系列研究結(jié)果給這一瓶頸的突破帶來了希望。來自德國的科學(xué)家研究了超強(qiáng)激光與玻璃相互作用時電子的超快動力學(xué)，利用阿秒脈沖進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)激光可以在玻璃中驅(qū)動產(chǎn)生瞬時電流，這一電流響應(yīng)時間小于1飛秒，可以完全跟光波的振蕩同步，響應(yīng)頻率可達(dá)PHz（10^15 Hz）。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，雖然光波場的強(qiáng)度很高，但由于驅(qū)動激光脈寬僅幾個飛秒，在如此短的時間內(nèi)并不會造成材料擊穿，而且電流造成的影響可迅速復(fù)原。這一結(jié)果顯示利用光波驅(qū)動絕緣體中電子的運動，可以實現(xiàn)PHz的電子開關(guān)，將現(xiàn)有的電路響應(yīng)速度提高10000倍，為新一代高速電子計算機(jī)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，電子學(xué)也將進(jìn)入新的階段——光波電子學(xué)。

最新研究成果顯示，光波在玻璃中驅(qū)動瞬態(tài)電流這一過程中，通過選擇合適的光場強(qiáng)度，能量損失基本可以忽略。說明如果利用這一過程制作集成電路，其發(fā)熱會遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于當(dāng)前電子產(chǎn)品，有利于電路的進(jìn)一步集成和響應(yīng)頻率的進(jìn)一步提高。當(dāng)然阿秒物理的這些研究成果只是為下一代高速電路的發(fā)展帶來了曙光，要實現(xiàn)這一夢想還有大量研究工作要做。

阿秒激光在很多研究領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用，比如探測生物大分子中電荷的轉(zhuǎn)移動力學(xué)有助于揭開很多生命現(xiàn)象的機(jī)理，解決相關(guān)的醫(yī)學(xué)問題；測量化學(xué)反應(yīng)中化學(xué)鍵的形成過程有助于研究新物質(zhì)的合成?？傊?，阿秒物理作為一門年輕的學(xué)科其研究才剛剛開始。

審核編輯：劉清