本文由科學大院根據龔旗煌院士在中國科學院學部第九屆學術年會上的報告《阿秒光科技前沿》整理而成，首發于科學大院。
我報告的題目是阿秒光科技前沿。阿秒是10-18秒，這是一個向極端條件邁進、開拓人類認識邊界的研究領域，2023年的諾貝爾物理學獎就頒給了發明阿秒光脈沖技術的研究人員。我的報告內容分成三個部分。
激光——科技的新紀元
為什么要從激光講起？因為阿秒光產生的基礎是超強的脈沖激光技術。
人類對光的認識可以追溯到古希臘，當時的人認為光是太陽神的目光。中國最早描述光的人是墨子，他在公元前400年研究了光的直線傳播和小孔成像。公元前280年，歐幾里得寫了第一本關于光學的書《反射光學》。之后隨著人們對光的認識不斷深入，在18世紀，光學這門學科終于誕生了。光學原理的研究又催生出了照相機、顯微鏡等各種儀器的應用。
在18、19世紀，關于“光的本質是什么”這一問題，科學家們有很大的爭論。有的人認為它是粒子，有的人認為它是一種波。這個爭論持續了100多年。直到1865年，麥克斯韋提出了著名的麥克斯韋方程組，論述了光的電磁傳播理論，證明了光是一種電磁波，最終將光、電、磁統一起來了。
對光的研究也促進了量子論和量子力學的誕生，同時量子論、量子力學的誕生又反過來促進了光學的發展。1900年普朗克提出了量子的概念。1905年愛因斯坦提出了光子的概念，并且通過光電效應得到了驗證。1917年愛因斯坦又從理論上提出了光的受激輻射，這是激光發明的理論基礎。1954年湯斯(Charles Townes)首先在微波波段實現了受激輻射放大。1960年梅曼(Theodore Maiman)在可見光波段發明了第一臺紅寶石激光器，這是人類第一次獲得一種完全新型的光——激光。
激光的出現帶來了一場科技的革命。上個世紀60年代，高錕提出了利用光纖可以無損耗或者低損耗傳輸光信息，光纖通信也成為了信息時代的重要基礎。還有一個重要成果是1985年由莫羅(Gérard Mourou)教授和他的學生提出的，他們利用啁啾放大技術使得激光能夠提供極端的強場。除了強場，激光還有一個重要的應用場景是極端的時間分辨。澤維爾(Ahmed Zewail)教授利用飛秒激光研究化學分子的解離和合成過程，因此獲得了1999年的諾貝爾化學獎（飛秒是10-15秒）。
作為一種新光源，激光有很多優良的特性。首先是單色性，激光是單一波長，顏色非常純。激光的方向性、指向性、相干性也都很好，還有超強、超快的特點。激光為科學研究帶來了許多新的手段，比如說高精密的光譜測量、激光冷卻原子產生玻色-愛因斯坦凝聚等等。
強光場可以產生非線性光學效應，一些（大型活動現場）燈光一會兒是紅色，一會兒是綠色，一會兒又是藍色，就是利用非線性光學的原理產生的。激光的極端高強度可以用來開展強場物理的研究，短脈沖激光可以用來研究超快動力學，利用超高強度和短波長激光可以實現核聚變和光核反應。可以看到，激光的誕生開拓了如此多的全新的研究領域。
正是因為光學的重要性，聯合國教科文組織把2015年定為國際光年，后來又在2018年宣布，每年的5月16日定為國際光日。聯合國教科文組織非常明確地指出，光和光基技術在健康、通信、經濟、環境、社會等領域得到了廣泛的應用，極大促進了世界經濟發展和人類文明進步。例如，60%的醫學檢測是通過光學技術完成的。
激光出現以后，特別是近三十年來，差不多每隔兩三年就有一個和光學相關的研究成果獲得諾貝爾獎，比如說1999年的飛秒光學，2005年的光梳，2009年的光纖通信和CCD的發明，還有2012年單量子態的光場調控、2018年超短脈沖的放大、2023年的阿秒脈沖等等。
超短超強激光——現代激光技術的前沿
激光可以分為連續激光和脈沖激光。連續激光可以產生精準波長和穩定頻率的光，在光譜學、精密測量等領域發揮重要作用。脈沖激光可以通過調Q、鎖模等技術獲得持續時間只有納秒、皮秒甚至是飛秒的脈沖（納秒是10-9秒、皮秒是10-12秒），現在我們在激光器上能夠獲得的最短光脈沖是4.5飛秒（10-15秒）。
時間是物理學或者說科學研究永恒的主題。人的壽命以年為單位，芯片內部執行一次指令的時間在納秒量級，分子的電離時間大概在皮秒量級，一個原子里的電子繞原子核運動的周期大約是100阿秒。可以看到，不同的物理過程需要用不同的時間尺度去衡量。
激光提供了一種能夠超越電子器件時間分辨能力的測量工具。科學家一直在追求超短時間的脈沖激光，以此來研究在極短時間內發生的物理過程。之前提到獲得1999年諾貝爾化學獎的澤維爾教授就是利用飛秒脈沖激光觀察到化學反應中化學鍵的形成和斷裂。極短脈沖光的產生首先需要極強的激光場。要讓飛秒脈沖的峰值功率更強，這就要提到2018年諾貝爾物理學獎得主莫羅的研究工作。原子和電子的結合是很穩定的，能量大概是每平方厘米1015瓦，而用莫羅教授提出的激光放大技術可以得到的功率是每平方厘米1021或1022瓦，比原子內部的能量高出了6~7個量級，提供了極端的強場。
現在看來，莫羅教授的技術實際上是非常簡單的。激光脈沖里含有不同的頻率分量，把這些頻率分量用一對光柵展開，在時間上把它拉寬了，降低了功率，然后再去將功率放大，這樣就不會破壞光路中用到的材料和器件。放大得到一個能量很高的脈沖，再反過來壓縮回去，就產生了一個超強的光脈沖。用一個非常簡單的光學原理實現了新的物理極限。
基于這一技術的誕生，歐洲對極端光的研究進行了大布局，比如說2012年歐盟在捷克、羅馬尼亞和匈牙利三個國家分別建立了不同研究方向的極端光設施，有研究核物理的，有研究阿秒光的，還有用超強激光產生束流的。
2023年的諾貝爾物理學獎頒發給皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和安妮?盧利爾（Anne L’Huillier）三位科學家，表彰他們在實驗中產生并觀測到了阿秒光脈沖，開拓了電子動力學的一個全新領域。這三位科學家的貢獻也是非常明確的：安妮第一次用強激光和氣體相互作用產生了高度非線性的高次諧波，發現光譜有一條連續的平臺型斜坡，提出了高次諧波可以用來產生阿秒脈沖。阿戈斯蒂尼在實驗上第一次觀察到阿秒的脈沖串、第一次獲得了250阿秒的光脈沖。克勞斯是馬克思-普朗克研究所的所長，他用飛秒激光和氣體相互作用，產生單一脈沖的阿秒激光，脈寬是650阿秒。
在光學界，大家都認為還有一位科學家也應該獲得諾貝爾獎，他就是保羅·庫坎(Paul Corkum)。他的貢獻是在理論上對高次諧波的產生過程進行了描述，提出了三步模型。庫坎獲得了2022年的沃爾夫物理學獎，這個獎項一般認為是諾貝爾獎的前奏，但是很遺憾一屆諾貝爾物理學獎得主最多就三位，但是他對阿秒研究也做出了非常大的貢獻。
阿秒光科技——突破時間測量極限
阿秒光脈沖誕生之后，提供了一把測量極限時間的最短的尺子，我們正式進入了阿秒的科學時代。
回顧一下，激光從誕生以來一直是往極端的時間條件推進。調Q和鎖模技術分別實現了納秒級和皮秒級的激光脈沖，新一代的鎖模技術可以產生飛秒脈沖，再后來就是用高次諧波產生阿秒脈沖。阿秒脈沖在2001年就已經發明了，但是因為高次諧波的產生是一個高度非線性過程，必須在真空中實現，獲得單脈沖非常困難，所以近20年來的發展比較緩慢，直到2017年脈沖寬度終于突破了50阿秒。值得高興的是，中國的科學家也在2023年獲得了50阿秒的光脈沖。
阿秒脈沖的時間這么短，它到底能干什么？目前來看，它給人類提供了一把最短的尺子，讓我們能夠觀察微觀物質的變化過程。下面我們就來介紹幾個阿秒分辨測量的前沿研究。
光電效應是量子力學中最基本的物理過程之一，光電離是否需要時間一直是研究熱點，而阿秒激光就能提供一個精確的時間點。克勞斯團隊將孤立的阿秒光脈沖和光電子條紋相機技術相結合，發現氖原子里2s軌道電子和2p軌道電子的發射時間相差21個阿秒。這也就說明了光電效應還是需要一定的反應時間，之前因為反應速度太快了看不到，現在有阿秒激光就可以觀察到幾十阿秒的時間過程。
2013年，德國和美國的科學家合作，利用阿秒的瞬態吸收過程研究二氧化硅介電材料中電子結構和極化率的變化，并提出在這個基礎上設計處理頻率達到1015赫茲的電子開關器件，運行速度是現有電子開關的數萬倍。
2020年，蘇黎世聯邦理工學院的研究人員基于阿秒時間分辨光電子能譜的技術，發現與在氣相中相比，液相中水的光電發射有大約50～70阿秒的時間延遲，說明溶劑化效應對光電離會產生影響。
雖然人類已經獲得了阿秒光，但是阿秒脈沖的能量和穩定性都不高，阿秒技術的實際應用還不太多，暫時只是用于觀察一些物理過程，真正往前推進發展還有待更多的努力。
我國阿秒科學研究布局
我國在阿秒光科技方面起步較早，在上個世紀就已經開展了阿秒脈沖的研究，參與的單位有中國科學院物理研究所、國防科學技術大學、華中科技大學等。國內在阿秒領域的進展大約和國際相差幾年，一直在努力追趕。
我國科學家在2013年首次獲得了孤立阿秒光脈沖，脈寬是160阿秒，2023年又獲得了國際領先的51(±4)阿秒的脈沖。應該說在阿秒脈沖技術相關研究方面，中國是可以跟國際發達國家進行對話的。
我國在阿秒科技上進行了很多布局，比如說國家自然科學基金委重大研究計劃“新型光場調控物理及應用”中就明確把阿秒技術的研究作為重點。該項目在2017年立項時提了兩個指標，要產生50阿秒的脈沖，還要達到100納焦的高能量。兩個目標在前年驗收的時候都已經實現了。
在設施建設方面，先進阿秒激光設施已經納入國家“十四五”規劃，我們正分別在東莞和西安建設先進的阿秒光源。相信經過幾年的努力，這些國家大科學裝置會為科學界提供領先的研究平臺。
國家自然科學基金委員會在重大科研儀器研制方面也布局了極端光學的研究，提出將超快激光和光電子顯微鏡兩者結合來實現時空的超高分辨測量，其中超快可以達到飛秒量級，光電子能譜可以達到納米量級，從而實現飛秒-納米的時空高分辨。相關的設施已經建成驗收并投入使用。
我國科學家還和法國等國的科學家合作，共同提出了激光驅動多束流的大科學設施，以激光集成方式把電子、離子、X光光子、伽瑪光子、超快光子5種束流在同一個設施上產生，相當于有5個光源可以相互作用，為科學研究提供全新的范式。
我國產生的51(±4)阿秒的超短脈沖，是基于在飛秒激光、真空和測量系統等方面做了巨大的努力，難度非常大。另一方面，我國科學家也提出利用飛秒激光來進行阿秒分辨，通過雙光束的干涉調控，可以非常準確地獲取電子在隧穿過程中的相位。同時又進一步發展了阿秒鐘技術，利用飛秒激光脈沖準確測量了電子Wigner隧穿時間，精度能達到5阿秒的量級。由于不同激光場對電子勢能的壓制是不一樣的，所以隧穿時間也會隨場強變化，激光場越強，隧穿時間越短。比如說對于氬原子，當激光功率密度為每平方厘米170太瓦時，隧穿時間為138阿秒；當激光功率密度增加到每平方厘米790太瓦，隧穿時間減小到79阿秒。科學家通過這個原理，實現了用飛秒技術來看阿秒量級的動力學過程。
結語
作為2023年諾貝爾物理學獎的獲獎內容，阿秒光的研究目前主要還集中在產生和測量方面，阿秒科學還是一個非常大的未開墾的領域。然而，阿秒脈沖的產生需要高度非線性的條件，對儀器、系統的穩定度提出了很高的要求。同時因為目前阿秒光能量不夠高，做出精確的研究有很大的難度，所以阿秒技術的發展還有待更多研究和更好的光源技術的支持。我相信未來阿秒光科技必然將進一步拓展人類認知的邊界。謝謝大家。
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