“閃電俠”勇奪諾貝爾獎(jiǎng)？阿秒激光到底是個(gè)啥？

出品：科普中國(guó)

作者：張昊（大阪大學(xué)）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

2023年10月3日下午，2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?wù)浇視浴Ｈ豢茖W(xué)家以阿秒激光技術(shù)奠基人的身份共同獲獎(jiǎng)。

阿秒激光，顧名思義，是一種在阿秒（10^-18秒）時(shí)間尺度上閃爍的激光。

為了理解它的特殊之處，我們首先需要了解什么是阿秒。

阿秒是時(shí)間的一個(gè)非常小的單位，它是一秒鐘的一百億億分之一。如果將一秒鐘比作一座高山，那么阿秒就像是山腳下的一粒沙。在這么短的時(shí)間里，即便是光，也差不多只能穿越一個(gè)原子大小的距離。

獲獎(jiǎng)人肖像

（圖片來(lái)源：諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)）

通過(guò)阿秒激光，科學(xué)家們可以像看電影的慢動(dòng)作回放一樣，觀察電子在原子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)，探究它們之間的交互作用。

阿秒激光是科學(xué)家們經(jīng)過(guò)多年的研究和努力，利用非線性光學(xué)原理創(chuàng)造出的超快激光。它的出現(xiàn)，讓我們有了觀察和研究原子、分子甚至是電子動(dòng)態(tài)的新窗口。

阿秒激光到底是一種怎樣的激光？

阿秒激光和普通激光相比，都有哪些不尋常的特性？其實(shí)，如果我們了解了激光的分類，就很容易明白阿秒激光在整個(gè)“激光家族”中到底處在什么樣的位置了。

按波長(zhǎng)分類，激光可以分為紫外激光、可見光激光、紅外激光等。阿秒激光通常是在紫外至軟X射線波段的激光，換句話說(shuō)，它的波長(zhǎng)比一般的激光要短。

不同波長(zhǎng)的激光

（圖片來(lái)源：維基百科）

按輸出模式分類，激光可分為連續(xù)波激光和脈沖激光。阿秒激光屬于脈沖激光，具有極短的脈沖持續(xù)時(shí)間。至于什么是連續(xù)波，什么是脈沖，我們可以用手電筒來(lái)進(jìn)行比喻。長(zhǎng)按開關(guān)讓手電一直發(fā)光就是持續(xù)波，而不停按下開關(guān)讓手電筒在亮和暗間交替變化就是脈沖。說(shuō)白了，阿秒激光并不連續(xù)，在亮暗之間連續(xù)變化，只是這種變化的頻率快得驚人，它的閃爍可以在阿秒量級(jí)實(shí)現(xiàn)。

按功率分類，可以將激光分為低功率激光、中功率激光和高功率激光。阿秒激光因其極短的脈沖時(shí)間而能具有高峰值功率。（功率（P）的含義是單位時(shí)間內(nèi)能量的強(qiáng)度（P=W/t），單個(gè)的阿秒激光脈沖可能能量（W）并不是特別大，但由于其持續(xù)時(shí)間（t）極短，因此峰值功率較高。）

按應(yīng)用領(lǐng)域分類，可以將激光分為工業(yè)激光、醫(yī)療激光、科研激光等。阿秒激光主要應(yīng)用于科學(xué)研究，特別是在物理和化學(xué)的研究中，用以探究微觀世界的快速動(dòng)態(tài)過(guò)程。

從星火光程實(shí)驗(yàn)室射向空中一點(diǎn)處的三條綠色激光束

（圖片來(lái)源：維基百科）

按激光介質(zhì)分類，激光可以分為氣體激光、固體激光、液體激光和半導(dǎo)體激光。阿秒激光的產(chǎn)生通常依賴于氣體激光介質(zhì)，并利用非線性光學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生高次諧波。

總結(jié)來(lái)說(shuō)，阿秒激光是一種特殊的短波脈沖激光，它的特點(diǎn)是脈沖持續(xù)時(shí)間極短，通常在阿秒量級(jí)，因而能用于觀測(cè)和控制原子、分子和固體中電子的超快動(dòng)態(tài)過(guò)程。

如何才能產(chǎn)生阿秒激光？

阿秒激光是非常前沿的技術(shù)，與一般的激光相比，它的產(chǎn)生條件相當(dāng)苛刻。

我們?cè)诖讼群?jiǎn)單描述阿秒激光的產(chǎn)生原理，再用生活中常見的景象來(lái)對(duì)其進(jìn)行比喻說(shuō)明。各位讀者看不懂物理原理的相關(guān)描述也不必著急放棄，后面的比喻一定可以為你繪出阿秒激光的基本物理圖像。

阿秒激光的產(chǎn)生過(guò)程主要依賴于高次諧波生成（HHG）技術(shù)。首先，一束高強(qiáng)度的飛秒（10^-15秒）激光脈沖被聚焦到氣體靶材料上。（飛秒激光其實(shí)和阿秒激光類似，都具有脈沖持續(xù)時(shí)間短且峰值功率高的特點(diǎn)。）在強(qiáng)激光場(chǎng)的作用下，氣體原子的電子會(huì)被拉離原子核，短暫進(jìn)入自由電子狀態(tài)。隨著激光場(chǎng)的振蕩，這些電子會(huì)在一段時(shí)間后返回并重新與原子核結(jié)合，形成了新的高能量狀態(tài)。

在此過(guò)程中，電子會(huì)以極高的速度運(yùn)動(dòng)，當(dāng)它們與原子核重新結(jié)合時(shí)，會(huì)釋放出其攜帶的額外能量，以高次諧波的形式發(fā)射出高能光子。

這些新產(chǎn)生的高能光子的頻率是原始激光頻率的整數(shù)倍，形成了高次諧波（諧波其實(shí)就是原始頻率整數(shù)倍的含義）。為了得到阿秒激光，需要再對(duì)這些高次諧波進(jìn)行濾波和聚焦，選取特定的高次諧波，然后將它們集中到一點(diǎn)。如果需要，還可以通過(guò)脈沖壓縮技術(shù)來(lái)進(jìn)一步減短脈沖的持續(xù)時(shí)間，從而得到阿秒級(jí)別的超短脈沖。

諾獎(jiǎng)官方委員會(huì)對(duì)于諧波的說(shuō)明

（圖片來(lái)源：諾獎(jiǎng)委員會(huì)官網(wǎng)）

由此可見，阿秒激光的產(chǎn)生是一個(gè)精密而又復(fù)雜的過(guò)程，需要高度的技術(shù)水平和設(shè)備支持。接下來(lái)，我們嘗試用一個(gè)生活中的場(chǎng)景來(lái)類比描述阿秒激光產(chǎn)生的主要步驟。

高強(qiáng)度飛秒激光脈沖：想象你有一個(gè)超級(jí)強(qiáng)力的投石機(jī)，它能夠在瞬間把石頭以極高的速度投向湖面。高強(qiáng)度飛秒激光脈沖就扮演了投石機(jī)的角色。

氣體靶材：想象一處原本平靜的湖面，它扮演的就是氣體靶材的角色，其中的水滴代表著無(wú)數(shù)的氣體原子。將石頭射向湖面的過(guò)程，就好比利用高強(qiáng)度飛秒激光來(lái)轟擊氣體靶材。

電子的運(yùn)動(dòng)和再結(jié)合（物理學(xué)上的說(shuō)法叫作躍遷）：當(dāng)飛秒激光脈沖轟擊氣體靶材中的氣體原子，使得不少原子的外層電子暫時(shí)被激發(fā)至脫離原子核的狀態(tài)（形成等離子體）。當(dāng)體系能量降低（既然是脈沖就有中斷的時(shí)候，此時(shí)能量就會(huì)降低），這些外層電子重新回歸原子核附近時(shí)，它們就會(huì)向外釋放高能光子。

我們用比喻來(lái)形容上述過(guò)程：當(dāng)石頭（飛秒激光脈沖）砸入湖面（氣體靶材）時(shí)，它會(huì)把水滴（氣體原子）打散，水珠（外層電子）被彈出，然后在一段時(shí)間后又回落到湖面（氣體原子核）。

高次諧波產(chǎn)生：每當(dāng)水珠回落到湖面時(shí)，它會(huì)激起一圈圈的波紋，這些波紋就像是阿秒激光的高次諧波，波紋的大小和頻率都比原來(lái)的波紋（原始飛秒激光脈沖）要高。在高次諧波生成的過(guò)程中，我們用一束非常強(qiáng)的激光（就像連續(xù)扔石頭的動(dòng)作）照射在氣體上（就像湖面）。這束強(qiáng)激光會(huì)使氣體中的電子（就像波紋）被推離原子核，然后又被拉回來(lái)。

每次電子被拉回原子核時(shí)，它都會(huì)發(fā)出一束新的激光，這束新的激光的顏色（或者說(shuō)頻率）比原來(lái)的激光更高（就像更大或更復(fù)雜的波紋圖案）。

濾波和聚焦：當(dāng)我們把所有這些新產(chǎn)生的激光束合在一起，就得到了一束包含很多不同顏色（頻率或者說(shuō)波長(zhǎng)）的激光，而其中的一些激光就是阿秒激光。如果你只想看到特定大小和頻率的波紋，你可以用一個(gè)特殊的篩子來(lái)挑選出你想要的波紋，并用一個(gè)放大鏡來(lái)把這些波紋聚焦到一個(gè)特定的區(qū)域，這個(gè)過(guò)程就是濾波和聚焦。

脈沖壓縮（如果需要）：如果你想讓波紋傳播得更快更短，你可以通過(guò)一個(gè)特殊的裝置來(lái)加速波紋的傳播，使得每個(gè)波紋的傳播時(shí)間變得更短。

阿秒激光的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的綜合作用過(guò)程，但如果我們將其分解，再對(duì)其加以具象化。其實(shí)可以發(fā)現(xiàn)它也并不是非常難于理解。

阿秒激光為什么能夠看清瞬間發(fā)生的物理化學(xué)過(guò)程？

閃電俠是美式超級(jí)英雄漫畫中的一個(gè)形象，它具有無(wú)與倫比的運(yùn)動(dòng)速度，可以和光并肩奔跑。因此，閃電俠眼中的世界，其他一切事物都無(wú)比緩慢。在其他人一眨眼的時(shí)間里，閃電俠就可以拯救無(wú)數(shù)人的性命。

閃電俠的速度（運(yùn)動(dòng)的頻率）是如此之快，以至于我們的肉眼絕對(duì)無(wú)法捕捉到它的動(dòng)作，但假如我們也擁有了閃電俠的特異功能，能夠和它并肩同步奔跑，是不是就能夠清晰地看到他的每一次擺臂和每一次抬腿？

這就好比我們擁有了閃電俠一般的過(guò)人速度（運(yùn)動(dòng)頻率）之后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)其實(shí)閃電俠的世界好像變慢了?；蛘哒f(shuō)，只有和閃電俠一樣快的頻率，才能看清楚像閃電俠一樣快的人的動(dòng)作。

很多的物理化學(xué)過(guò)程，持續(xù)時(shí)間都在阿秒級(jí)別，換句話說(shuō)，這些現(xiàn)象發(fā)生在一瞬間，以至于我們?cè)?jīng)無(wú)法清晰地去觀測(cè)這些過(guò)程。而阿秒激光的出現(xiàn)，讓我們擁有了和這些瞬間發(fā)生的事物同樣快的觀察和研究手段。

在原子和分子內(nèi)部，電子的運(yùn)動(dòng)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換可以在阿秒時(shí)間尺度上發(fā)生。例如，電子的躍遷、電子的電離和再結(jié)合過(guò)程等。類似的例子還有：化學(xué)反應(yīng)的某些初期階段，如電子轉(zhuǎn)移；光與物質(zhì)相互作用，例如光誘導(dǎo)的電子激發(fā)、電離和其他非線性光學(xué)效應(yīng)；在量子系統(tǒng)中，相干和去相干過(guò)程可能會(huì)在阿秒時(shí)間尺度上進(jìn)行，影響系統(tǒng)的量子態(tài)演化。

我們以光誘導(dǎo)的電子激發(fā)過(guò)程為例，看看研究人員是如何利用阿秒激光來(lái)觀察這種轉(zhuǎn)瞬即逝的電子動(dòng)態(tài)過(guò)程的。

在阿秒激光研究氫分子（H2）的光電離過(guò)程的實(shí)驗(yàn)中，一束阿秒激光脈沖射向氫分子，使得其中一個(gè)電子擺脫原子核的束縛，形成光電子。通過(guò)測(cè)量這個(gè)光電子的動(dòng)能和發(fā)射角度，研究人員可以了解光電離過(guò)程的微觀機(jī)制，例如電子是如何從分子中被釋放出來(lái)的，以及電子和剩下的離子核之間的相互作用等。

該實(shí)驗(yàn)不僅揭示了光誘導(dǎo)電子動(dòng)態(tài)過(guò)程的微觀機(jī)制，也為探究其他分子系統(tǒng)和更復(fù)雜的光-物質(zhì)相互作用過(guò)程提供了重要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論基礎(chǔ)。

此外，阿秒激光也可用于研究快速化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，例如觀測(cè)和控制化學(xué)反應(yīng)的鍵斷裂和鍵形成過(guò)程，從而為理解和控制化學(xué)反應(yīng)提供了新的可能，也為開發(fā)新材料和新技術(shù)提供了重要的信息。

結(jié)語(yǔ)

阿秒激光技術(shù)為我們打開了一個(gè)全新的窗口，使我們能夠在前所未有的時(shí)間尺度上研究和控制物質(zhì)的微觀過(guò)程，進(jìn)而揭示和理解物質(zhì)的基本性質(zhì)和行為規(guī)律。

阿秒激光是人類智慧的結(jié)晶，是我們探求自然、理解世界的有力工具。每一次阿秒激光脈沖的閃現(xiàn)，都是對(duì)自然奧秘的探尋，對(duì)未知領(lǐng)域的勇敢嘗試。隨著時(shí)間的推移，我們相信，阿秒激光技術(shù)將會(huì)在更多領(lǐng)域展現(xiàn)出它的價(jià)值，為人類的進(jìn)步貢獻(xiàn)出它的力量。