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

為(wei) 了理解它的特殊之處，我們(men) 首先需要了解什麽(me) 是阿秒。

阿秒是時間的一個(ge) 非常小的單位，它是一秒鍾的一百億(yi) 億(yi) 分之一。如果將一秒鍾比作一座高山，那麽(me) 阿秒就像是山腳下的一粒沙。在這麽(me) 短的時間裏，即便是光，也差不多隻能穿越一個(ge) 原子大小的距離。

獲獎人肖像。圖源：諾貝爾獎官網

通過阿秒激光，科學家們(men) 可以像看電影的慢動作回放一樣，觀察電子在原子內(nei) 部的運動，探究它們(men) 之間的交互作用。

阿秒激光是科學家們(men) 經過多年的研究和努力，利用非線性光學原理創造出的超快激光。它的出現，讓我們(men) 有了觀察和研究原子、分子甚至是電子動態的新窗口。

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，如果我們(men) 了解了激光的分類，就很容易明白阿秒激光在整個(ge) “激光家族”中到底處在什麽(me) 樣的位置了。

按波長分類，激光可以分為(wei) 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，它的波長比一般的激光要短。

不同波長的激光。圖源：維基百科

按輸出模式分類，激光可分為(wei) 連續波激光和脈衝(chong) 激光。阿秒激光屬於(yu) 脈衝(chong) 激光，具有極短的脈衝(chong) 持續時間。至於(yu) 什麽(me) 是連續波，什麽(me) 是脈衝(chong) ，我們(men) 可以用手電筒來進行比喻。長按開關(guan) 讓手電一直發光就是持續波，而不停按下開關(guan) 讓手電筒在亮和暗間交替變化就是脈衝(chong) 。說白了，阿秒激光並不連續，在亮暗之間連續變化，隻是這種變化的頻率快得驚人，它的閃爍可以在阿秒量級實現。

按功率分類，可以將激光分為(wei) 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衝(chong) 時間而能具有高峰值功率。（功率（P）的含義(yi) 是單位時間內(nei) 能量的強度（P=W/t），單個(ge) 的阿秒激光脈衝(chong) 可能能量（W）並不是特別大，但由於(yu) 其持續時間（t）極短，因此峰值功率較高。）

按應用領域分類，可以將激光分為(wei) 工業(ye) 激光、醫療激光、科研激光等。阿秒激光主要應用於(yu) 科學研究，特別是在物理和化學的研究中，用以探究微觀世界的快速動態過程。

從(cong) 星火光程實驗室射向空中一點處的三條綠色激光束。圖源：維基百科

按激光介質分類，激光可以分為(wei) 氣體(ti) 激光、固體(ti) 激光、液體(ti) 激光和半導體(ti) 激光。阿秒激光的產(chan) 生通常依賴於(yu) 氣體(ti) 激光介質，並利用非線性光學效應產(chan) 生高次諧波。

總結來說，阿秒激光是一種特殊的短波脈衝(chong) 激光，它的特點是脈衝(chong) 持續時間極短，通常在阿秒量級，因而能用於(yu) 觀測和控製原子、分子和固體(ti) 中電子的超快動態過程。

如何才能產(chan) 生阿秒激光？

阿秒激光是非常前沿的技術，與(yu) 一般的激光相比，它的產(chan) 生條件相當苛刻。

我們(men) 在此先簡單描述阿秒激光的產(chan) 生原理，再用生活中常見的景象來對其進行比喻說明。各位讀者看不懂物理原理的相關(guan) 描述也不必著急放棄，後麵的比喻一定可以為(wei) 你繪出阿秒激光的基本物理圖像。

阿秒激光的產(chan) 生過程主要依賴於(yu) 高次諧波生成（HHG）技術。首先，一束高強度的飛秒（10^-15 秒）激光脈衝(chong) 被聚焦到氣體(ti) 靶材料上（飛秒激光其實和阿秒激光類似，都具有脈衝(chong) 持續時間短且峰值功率高的特點）。在強激光場的作用下，氣體(ti) 原子的電子會(hui) 被拉離原子核，短暫進入自由電子狀態。隨著激光場的振蕩，這些電子會(hui) 在一段時間後返回並重新與(yu) 原子核結合，形成了新的高能量狀態。

在此過程中，電子會(hui) 以極高的速度運動，當它們(men) 與(yu) 原子核重新結合時，會(hui) 釋放出其攜帶的額外能量，以高次諧波的形式發射出高能光子。

這些新產(chan) 生的高能光子的頻率是原始激光頻率的整數倍，形成了高次諧波（諧波其實就是原始頻率整數倍的含義(yi) ）。為(wei) 了得到阿秒激光，需要再對這些高次諧波進行濾波和聚焦，選取特定的高次諧波，然後將它們(men) 集中到一點。如果需要，還可以通過脈衝(chong) 壓縮技術來進一步減短脈衝(chong) 的持續時間，從(cong) 而得到阿秒級別的超短脈衝(chong) 。

諾獎官方委員會(hui) 對於(yu) 諧波的說明。圖源：諾獎委員會(hui) 官網

由此可見，阿秒激光的產(chan) 生是一個(ge) 精密而又複雜的過程，需要高度的技術水平和設備支持。接下來，我們(men) 嚐試用一個(ge) 生活中的場景來類比描述阿秒激光產(chan) 生的主要步驟。

高強度飛秒激光脈衝(chong) ：想象你有一個(ge) 超級強力的投石機，它能夠在瞬間把石頭以極高的速度投向湖麵。高強度飛秒激光脈衝(chong) 就扮演了投石機的角色。

氣體(ti) 靶材：想象一處原本平靜的湖麵，它扮演的就是氣體(ti) 靶材的角色，其中的水滴代表著無數的氣體(ti) 原子。將石頭射向湖麵的過程，就好比利用高強度飛秒激光來轟擊氣體(ti) 靶材。

電子的運動和再結合（物理學上的說法叫作躍遷）：當飛秒激光脈衝(chong) 轟擊氣體(ti) 靶材中的氣體(ti) 原子，使得不少原子的外層電子暫時被激發至脫離原子核的狀態（形成等離子體(ti) ）。當體(ti) 係能量降低（既然是脈衝(chong) 就有中斷的時候，此時能量就會(hui) 降低），這些外層電子重新回歸原子核附近時，它們(men) 就會(hui) 向外釋放高能光子。

我們(men) 用比喻來形容上述過程：當石頭（飛秒激光脈衝(chong) ）砸入湖麵（氣體(ti) 靶材）時，它會(hui) 把水滴（氣體(ti) 原子）打散，水珠（外層電子）被彈出，然後在一段時間後又回落到湖麵（氣體(ti) 原子核）。

高次諧波產(chan) 生：每當水珠回落到湖麵時，它會(hui) 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的波紋（原始飛秒激光脈衝(chong) ）要高。在高次諧波生成的過程中，我們(men) 用一束非常強的激光（就像連續扔石頭的動作）照射在氣體(ti) 上（就像湖麵）。這束強激光會(hui) 使氣體(ti) 中的電子（就像波紋）被推離原子核，然後又被拉回來。

每次電子被拉回原子核時，它都會(hui) 發出一束新的激光，這束新的激光的顏色（或者說頻率）比原來的激光更高（就像更大或更複雜的波紋圖案）。

濾波和聚焦：當我們(men) 把所有這些新產(chan) 生的激光束合在一起，就得到了一束包含很多不同顏色（頻率或者說波長）的激光，而其中的一些激光就是阿秒激光。如果你隻想看到特定大小和頻率的波紋，你可以用一個(ge) 特殊的篩子來挑選出你想要的波紋，並用一個(ge) 放大鏡來把這些波紋聚焦到一個(ge) 特定的區域，這個(ge) 過程就是濾波和聚焦。

脈衝(chong) 壓縮（如果需要）：如果你想讓波紋傳(chuan) 播得更快更短，你可以通過一個(ge) 特殊的裝置來加速波紋的傳(chuan) 播，使得每個(ge) 波紋的傳(chuan) 播時間變得更短。

阿秒激光的產(chan) 生是一個(ge) 複雜的綜合作用過程，但如果我們(men) 將其分解，再對其加以具象化。其實可以發現它也並不是非常難於(yu) 理解。

阿秒激光為(wei) 什麽(me) 能夠看清

瞬間發生的物理化學過程？

閃電俠(xia) 是美式超級英雄漫畫中的一個(ge) 形象，它具有無與(yu) 倫(lun) 比的運動速度，可以和光並肩奔跑。因此，閃電俠(xia) 眼中的世界，其他一切事物都無比緩慢。在其他人一眨眼的時間裏，閃電俠(xia) 就可以拯救無數人的性命。

閃電俠(xia) 的速度（運動的頻率）是如此之快，以至於(yu) 我們(men) 的肉眼絕對無法捕捉到它的動作，但假如我們(men) 也擁有了閃電俠(xia) 的特異功能，能夠和它並肩同步奔跑，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(men) 擁有了閃電俠(xia) 一般的過人速度（運動頻率）之後，就會(hui) 發現其實閃電俠(xia) 的世界好像變慢了。或者說，隻有和閃電俠(xia) 一樣快的頻率，才能看清楚像閃電俠(xia) 一樣快的人的動作。

很多的物理化學過程，持續時間都在阿秒級別，換句話說，這些現象發生在一瞬間，以至於(yu) 我們(men) 曾經無法清晰地去觀測這些過程。而阿秒激光的出現，讓我們(men) 擁有了和這些瞬間發生的事物同樣快的觀察和研究手段。

在原子和分子內(nei) 部，電子的運動和狀態轉換可以在阿秒時間尺度上發生。例如，電子的躍遷、電子的電離和再結合過程等。類似的例子還有：化學反應的某些初期階段，如電子轉移；光與(yu) 物質相互作用，例如光誘導的電子激發、電離和其他非線性光學效應；在量子係統中，相幹和去相幹過程可能會(hui) 在阿秒時間尺度上進行，影響係統的量子態演化。

我們(men) 以光誘導的電子激發過程為(wei) 例，看看研究人員是如何利用阿秒激光來觀察這種轉瞬即逝的電子動態過程的。

在阿秒激光研究氫分子（H2）的光電離過程的實驗中，一束阿秒激光脈衝(chong) 射向氫分子，使得其中一個(ge) 電子擺脫原子核的束縛，形成光電子。通過測量這個(ge) 光電子的動能和發射角度，研究人員可以了解光電離過程的微觀機製，例如電子是如何從(cong) 分子中被釋放出來的，以及電子和剩下的離子核之間的相互作用等。

該實驗不僅(jin) 揭示了光誘導電子動態過程的微觀機製，也為(wei) 探究其他分子係統和更複雜的光-物質相互作用過程提供了重要的實驗技術和理論基礎。

此外，阿秒激光也可用於(yu) 研究快速化學反應的過程，例如觀測和控製化學反應的鍵斷裂和鍵形成過程，從(cong) 而為(wei) 理解和控製化學反應提供了新的可能，也為(wei) 開發新材料和新技術提供了重要的信息。

結語

阿秒激光技術為(wei) 我們(men) 打開了一個(ge) 全新的窗口，使我們(men) 能夠在前所未有的時間尺度上研究和控製物質的微觀過程，進而揭示和理解物質的基本性質和行為(wei) 規律。

阿秒激光是人類智慧的結晶，是我們(men) 探求自然、理解世界的有力工具。每一次阿秒激光脈衝(chong) 的閃現，都是對自然奧秘的探尋，對未知領域的勇敢嚐試。隨著時間的推移，我們(men) 相信，阿秒激光技術將會(hui) 在更多領域展現出它的價(jia) 值，為(wei) 人類的進步貢獻出它的力量。

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出品丨科普中國