本文作者：劉鑫耀博士，西班牙光電子研究所（ICFO - The Institute of Photonic Sciences）博士后研究員

圖片|劉鑫耀博士，西班牙光電研究所（ICFO - 光子科學(xué)研究所）博士后研究員（來源：劉鑫耀）

高速攝像機(jī)捕捉物體在快速變化時(shí)刻的運(yùn)動。動作發(fā)生的時(shí)間越短，記錄它的“快門”就需要越快，否則圖像就會產(chǎn)生殘像。從攝影術(shù)誕生到19世紀(jì)末，相機(jī)的曝光時(shí)間很長，無法記錄高速運(yùn)動的清晰圖像。直到1878年，英國攝影師埃德沃德·J·邁布里奇(Eadweard J. Muybridge)拍攝了賽馬照片，首次展示了馬在奔跑時(shí)四蹄同時(shí)離地的瞬間。為了跟蹤如此高速的運(yùn)動，攝影技術(shù)必須提高其時(shí)間分辨率或快門速度，這使我們能夠跟蹤人眼無法跟蹤的高速過程。普通相機(jī)以每秒24 幀的速度拍攝，這意味著快門在一秒鐘內(nèi)打開和關(guān)閉24 次，而高速相機(jī)可以以低于1/1000 秒的曝光或超過250 幀的速率捕捉運(yùn)動圖像每秒。這項(xiàng)技術(shù)對于記錄閃電和爆炸等瞬態(tài)事件至關(guān)重要。

如果你想記錄微觀世界的變化，比如化學(xué)反應(yīng)的瞬間、化學(xué)鍵的斷裂和形成、分子的旋轉(zhuǎn)和振動，你需要更快的快門，范圍從皮秒到飛秒（1飛秒=10 -15秒）。 2023 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者將以更高的時(shí)間分辨率觀察電子尺度的運(yùn)動。

北京時(shí)間10月3日下午17時(shí)45分左右，美國俄亥俄州立大學(xué)教授皮埃爾·阿戈斯蒂尼和德國馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所教授費(fèi)倫茨·克勞斯三位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家費(fèi)倫茨·克勞斯瑞典隆德大學(xué)教授Anne L'Huillier 因能夠捕捉電子運(yùn)動的“高速攝影師”而榮獲2023 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。該獎(jiǎng)項(xiàng)表彰開發(fā)能夠產(chǎn)生阿秒光脈沖以研究物質(zhì)中電子動力學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法。其中，安妮·呂利爾也是歷史上第五位獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的女性。

（來源：諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)）

要理解這個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)的意義，就必須掌握阿秒物理的概念。阿秒(as) 是一個(gè)極短的時(shí)間單位，等于十分之一秒(10^-18)。光在1秒內(nèi)傳播30萬公里，可繞地球約7.5圈。然而，在1 as時(shí)間內(nèi)，光只能傳播0.3nm，而百萬分之一頭發(fā)絲的長度比這個(gè)距離還長。阿秒光脈沖相當(dāng)于快門時(shí)間為阿秒級別的高速相機(jī)。在這個(gè)極小的時(shí)間尺度內(nèi)，可以觀察和控制原子和分子內(nèi)電子的行為，從而加深我們對電子運(yùn)動過程的理解。

1987年，Anne L'Huillier成功觀測到近紅外激光引起的高次諧波現(xiàn)象，邁出了阿秒物理學(xué)的第一步。她和同事在法國巴黎薩克雷大學(xué)研究氬離子時(shí)發(fā)現(xiàn)，具有一定能量的皮秒激光脈沖與氣體相互作用后，會釋放出一系列為激光頻率奇數(shù)倍的諧波。即高次諧波[1]。在隨后的理論研究中，他們還預(yù)測了高次諧波產(chǎn)生阿秒脈沖的可能性。 1993年，在加拿大國家研究委員會工作的物理學(xué)家Paul Corkum等人從理論上提出并發(fā)展了一個(gè)重要的電子重散射三步模型（如圖1所示）。

圖1中第一張小圖是指電子在強(qiáng)激光作用下隧道電離，成為自由電子。第二張小圖是隧道電離后的電子被外部激光電場加速，半個(gè)光學(xué)周期后方向反轉(zhuǎn)。第三張小圖是加速的電子在反向電場的作用下以一定的概率回到電離核附近并與之復(fù)合。在復(fù)合過程中，電子將以光的形式釋放積累的動能和電離能。然后顯示為高次諧波。上述三步模型為深入認(rèn)識強(qiáng)場物理過程以及后來蓬勃發(fā)展的阿秒物理研究奠定了理論基礎(chǔ)[2, 3]。

圖|高次諧波產(chǎn)生三步模型示意圖（來源：薩拉曼卡大學(xué)）

隨后，許多科學(xué)家意識到這些高頻光子可以用來產(chǎn)生極短的光脈沖，并后續(xù)進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了產(chǎn)生阿秒脈沖的可能性。然而，人們?nèi)匀徊淮_定僅具有頻域信息的高次諧波在時(shí)域是否可以被確認(rèn)為阿秒脈沖。

直到2001年，曾在法國巴黎薩克雷大學(xué)和法國原子能委員會工作的皮埃爾·阿戈斯蒂尼和他的團(tuán)隊(duì)通過雙光子、雙色光電離形成并成功測量了時(shí)域脈沖來測量相位。寬度為250as、相鄰脈沖之間的間隔為1.35fs 的阿秒脈沖串[6]。

同年，當(dāng)時(shí)在奧地利維也納技術(shù)大學(xué)的費(fèi)倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）的研究小組產(chǎn)生并測量了第一個(gè)孤立的阿秒脈沖。實(shí)驗(yàn)中，他將800nm、40fs、1kHz、3mJ的激光壓縮到7fs左右，然后聚焦在氖氣上。他成功地產(chǎn)生并測量了第一個(gè)650as的孤立阿秒脈沖，并用它來捕獲原子中電子的運(yùn)動[7]。

總體而言，Anne L'Huillier 的貢獻(xiàn)在于觀察到了近紅外激光誘發(fā)的高次諧波的產(chǎn)生，為后續(xù)阿秒脈沖的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)；皮埃爾·阿戈斯蒂尼和費(fèi)倫茨·克勞斯的貢獻(xiàn)在于成功產(chǎn)生阿秒脈沖。并首次證實(shí)其處于阿秒級。

圖|孤立阿秒脈沖的脈寬不斷縮短（來源：《科學(xué)通報(bào)》）

孤立阿秒脈沖也從最初的650as不斷縮短，直到2017年中佛羅里達(dá)大學(xué)常增虎教授研究組獲得了53as的孤立阿秒脈沖，其光子能量達(dá)到了碳K吸收邊（284eV） 。同年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員還利用長波長飛秒激光器作為驅(qū)動脈沖，產(chǎn)生了43as的孤立阿秒脈沖，這也是迄今為止最短阿秒脈沖的世界紀(jì)錄。

阿秒科學(xué)新研究領(lǐng)域的開辟，為原子、分子、凝聚態(tài)物理、化學(xué)、生物學(xué)等諸多學(xué)科提供了更多的可能性，讓物理過程的瞬時(shí)變化得以呈現(xiàn)，也讓我們了解許多原來不為人知的現(xiàn)象。

在生物化學(xué)領(lǐng)域，化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)來自于原子尺度上電子的運(yùn)動。阿秒脈沖激光將幫助人們從根本上（在電子運(yùn)動層面）了解疾病的微觀原因、形成和發(fā)展。在能源領(lǐng)域，阿秒脈沖激光器有助于探測新材料中電子與空穴之間的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制，推動超導(dǎo)體和半導(dǎo)體的研究，提高太陽能電池的效率。阿秒脈沖仍僅處于實(shí)驗(yàn)室階段。我們能否制造出高通量、高光子能量、高重復(fù)頻率和穩(wěn)定的阿秒脈沖，使其可用于醫(yī)學(xué)、半導(dǎo)體或化學(xué)領(lǐng)域，還有待觀察。后來的科學(xué)家有更多的時(shí)間和更多的探索。

參考文獻(xiàn)：1.M.費(fèi)雷等人，J.物理。 B: 在。摩爾。選擇。 Phys.21 L31 (1988).2.P B.Corkum, Phys Rev Lett, 71: 19941997 (1993)3 . M. Lewenstein 等人，物理學(xué)。修訂版A49，2117 (1994)4。 C.埃爾南德斯·加西亞博士論文（西班牙薩拉曼卡大學(xué)）（2012）。 5.魏志毅，等。阿秒脈沖由此產(chǎn)生的技術(shù)原理和進(jìn)展?？茖W(xué)通報(bào)， 66: 889901(2021)6. 科學(xué)， 292, 1689, 20017. 自然， 414, 509-513, 2001