本文由科學(xué)大院根據(jù)龔旗煌院士在中國科學(xué)院學(xué)部第九屆學(xué)術(shù)年會上的報告《阿秒光科技前沿》整理而成，首發(fā)于科學(xué)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(jìn)、開拓人類認(rèn)識邊界的研究領(lǐng)域，2023年的諾貝爾物理學(xué)獎就頒給了發(fā)明阿秒光脈沖技術(shù)的研究人員。我的報告內(nèi)容分成三個部分。
激光——科技的新紀(jì)元
為什么要從激光講起？因?yàn)榘⒚牍猱a(chǎn)生的基礎(chǔ)是超強(qiáng)的脈沖激光技術(shù)。
人類對光的認(rèn)識可以追溯到古希臘，當(dāng)時的人認(rèn)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(guān)于光學(xué)的書《反射光學(xué)》。之后隨著人們對光的認(rèn)識不斷深入，在18世紀(jì)，光學(xué)這門學(xué)科終于誕生了。光學(xué)原理的研究又催生出了照相機(jī)、顯微鏡等各種儀器的應(yīng)用。
在18、19世紀(jì)，關(guān)于“光的本質(zhì)是什么”這一問題，科學(xué)家們有很大的爭論。有的人認(rèn)為它是粒子，有的人認(rèn)為它是一種波。這個爭論持續(xù)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(tǒng)一起來了。
對光的研究也促進(jìn)了量子論和量子力學(xué)的誕生，同時量子論、量子力學(xué)的誕生又反過來促進(jìn)了光學(xué)的發(fā)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(yīng)得到了驗(yàn)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(fā)明的理論基礎(chǔ)。1954年湯斯(Charles Townes)首先在微波波段實(shí)現(xiàn)了受激輻射放大。1960年梅曼(Theodore Maiman)在可見光波段發(fā)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(xiàn)帶來了一場科技的革命。上個世紀(jì)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(chǔ)。還有一個重要成果是1985年由莫羅(Gérard Mourou)教授和他的學(xué)生提出的，他們利用啁啾放大技術(shù)使得激光能夠提供極端的強(qiáng)場。除了強(qiáng)場，激光還有一個重要的應(yīng)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(xué)分子的解離和合成過程，因此獲得了1999年的諾貝爾化學(xué)獎（飛秒是10-15秒）。
作為一種新光源，激光有很多優(yōu)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(qiáng)、超快的特點(diǎn)。激光為科學(xué)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(chǎn)生玻色-愛因斯坦凝聚等等。
強(qiáng)光場可以產(chǎn)生非線性光學(xué)效應(yīng)，一些（大型活動現(xiàn)場）燈光一會兒是紅色，一會兒是綠色，一會兒又是藍(lán)色，就是利用非線性光學(xué)的原理產(chǎn)生的。激光的極端高強(qiáng)度可以用來開展強(qiáng)場物理的研究，短脈沖激光可以用來研究超快動力學(xué)，利用超高強(qiáng)度和短波長激光可以實(shí)現(xiàn)核聚變和光核反應(yīng)。可以看到，激光的誕生開拓了如此多的全新的研究領(lǐng)域。
正是因?yàn)楣鈱W(xué)的重要性，聯(lián)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(lián)合國教科文組織非常明確地指出，光和光基技術(shù)在健康、通信、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，極大促進(jìn)了世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類文明進(jìn)步。例如，60%的醫(yī)學(xué)檢測是通過光學(xué)技術(shù)完成的。
激光出現(xiàn)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(xué)相關(guān)的研究成果獲得諾貝爾獎，比如說1999年的飛秒光學(xué)，2005年的光梳，2009年的光纖通信和CCD的發(fā)明，還有2012年單量子態(tài)的光場調(diào)控、2018年超短脈沖的放大、2023年的阿秒脈沖等等。
超短超強(qiáng)激光——現(xiàn)代激光技術(shù)的前沿
激光可以分為連續(xù)激光和脈沖激光。連續(xù)激光可以產(chǎn)生精準(zhǔn)波長和穩(wěn)定頻率的光，在光譜學(xué)、精密測量等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。脈沖激光可以通過調(diào)Q、鎖模等技術(shù)獲得持續(xù)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(xiàn)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(xué)或者說科學(xué)研究永恒的主題。人的壽命以年為單位，芯片內(nèi)部執(zhí)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(yùn)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(xué)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(nèi)發(fā)生的物理過程。之前提到獲得1999年諾貝爾化學(xué)獎的澤維爾教授就是利用飛秒脈沖激光觀察到化學(xué)反應(yīng)中化學(xué)鍵的形成和斷裂。極短脈沖光的產(chǎn)生首先需要極強(qiáng)的激光場。要讓飛秒脈沖的峰值功率更強(qiáng)，這就要提到2018年諾貝爾物理學(xué)獎得主莫羅的研究工作。原子和電子的結(jié)合是很穩(wěn)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(shù)可以得到的功率是每平方厘米1021或1022瓦，比原子內(nèi)部的能量高出了6~7個量級，提供了極端的強(qiáng)場。
現(xiàn)在看來，莫羅教授的技術(shù)實(shí)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(chǎn)生了一個超強(qiáng)的光脈沖。用一個非常簡單的光學(xué)原理實(shí)現(xiàn)了新的物理極限。
基于這一技術(shù)的誕生，歐洲對極端光的研究進(jìn)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(shè)施，有研究核物理的，有研究阿秒光的，還有用超強(qiáng)激光產(chǎn)生束流的。
2023年的諾貝爾物理學(xué)獎頒發(fā)給皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、費(fèi)倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和安妮?盧利爾（Anne L’Huillier）三位科學(xué)家，表彰他們在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生并觀測到了阿秒光脈沖，開拓了電子動力學(xué)的一個全新領(lǐng)域。這三位科學(xué)家的貢獻(xiàn)也是非常明確的：安妮第一次用強(qiáng)激光和氣體相互作用產(chǎn)生了高度非線性的高次諧波，發(fā)現(xiàn)光譜有一條連續(xù)的平臺型斜坡，提出了高次諧波可以用來產(chǎn)生阿秒脈沖。阿戈斯蒂尼在實(shí)驗(yàn)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(chǎn)生單一脈沖的阿秒激光，脈寬是650阿秒。
在光學(xué)界，大家都認(rèn)為還有一位科學(xué)家也應(yīng)該獲得諾貝爾獎，他就是保羅·庫坎(Paul Corkum)。他的貢獻(xiàn)是在理論上對高次諧波的產(chǎn)生過程進(jìn)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(xué)獎，這個獎項一般認(rèn)為是諾貝爾獎的前奏，但是很遺憾一屆諾貝爾物理學(xué)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(xiàn)。
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(jìn)入了阿秒的科學(xué)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(jìn)。調(diào)Q和鎖模技術(shù)分別實(shí)現(xiàn)了納秒級和皮秒級的激光脈沖，新一代的鎖模技術(shù)可以產(chǎn)生飛秒脈沖，再后來就是用高次諧波產(chǎn)生阿秒脈沖。阿秒脈沖在2001年就已經(jīng)發(fā)明了，但是因?yàn)楦叽沃C波的產(chǎn)生是一個高度非線性過程，必須在真空中實(shí)現(xiàn)，獲得單脈沖非常困難，所以近20年來的發(fā)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(xué)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(zhì)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(yīng)是量子力學(xué)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(diǎn)，而阿秒激光就能提供一個精確的時間點(diǎn)。克勞斯團(tuán)隊將孤立的阿秒光脈沖和光電子條紋相機(jī)技術(shù)相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)氖原子里2s軌道電子和2p軌道電子的發(fā)射時間相差21個阿秒。這也就說明了光電效應(yīng)還是需要一定的反應(yīng)時間，之前因?yàn)榉磻?yīng)速度太快了看不到，現(xiàn)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(xué)家合作，利用阿秒的瞬態(tài)吸收過程研究二氧化硅介電材料中電子結(jié)構(gòu)和極化率的變化，并提出在這個基礎(chǔ)上設(shè)計處理頻率達(dá)到1015赫茲的電子開關(guān)器件，運(yùn)行速度是現(xiàn)有電子開關(guān)的數(shù)萬倍。
2020年，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員基于阿秒時間分辨光電子能譜的技術(shù)，發(fā)現(xiàn)與在氣相中相比，液相中水的光電發(fā)射有大約50～70阿秒的時間延遲，說明溶劑化效應(yīng)對光電離會產(chǎn)生影響。
雖然人類已經(jīng)獲得了阿秒光，但是阿秒脈沖的能量和穩(wěn)定性都不高，阿秒技術(shù)的實(shí)際應(yīng)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(jìn)發(fā)展還有待更多的努力。
我國阿秒科學(xué)研究布局
我國在阿秒光科技方面起步較早，在上個世紀(jì)就已經(jīng)開展了阿秒脈沖的研究，參與的單位有中國科學(xué)院物理研究所、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、華中科技大學(xué)等。國內(nèi)在阿秒領(lǐng)域的進(jìn)展大約和國際相差幾年，一直在努力追趕。
我國科學(xué)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(lǐng)先的51(±4)阿秒的脈沖。應(yīng)該說在阿秒脈沖技術(shù)相關(guān)研究方面，中國是可以跟國際發(fā)達(dá)國家進(jìn)行對話的。
我國在阿秒科技上進(jìn)行了很多布局，比如說國家自然科學(xué)基金委重大研究計劃“新型光場調(diào)控物理及應(yīng)用”中就明確把阿秒技術(shù)的研究作為重點(diǎn)。該項目在2017年立項時提了兩個指標(biāo)，要產(chǎn)生50阿秒的脈沖，還要達(dá)到100納焦的高能量。兩個目標(biāo)在前年驗(yàn)收的時候都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。
在設(shè)施建設(shè)方面，先進(jìn)阿秒激光設(shè)施已經(jīng)納入國家“十四五”規(guī)劃，我們正分別在東莞和西安建設(shè)先進(jìn)的阿秒光源。相信經(jīng)過幾年的努力，這些國家大科學(xué)裝置會為科學(xué)界提供領(lǐng)先的研究平臺。
國家自然科學(xué)基金委員會在重大科研儀器研制方面也布局了極端光學(xué)的研究，提出將超快激光和光電子顯微鏡兩者結(jié)合來實(shí)現(xiàn)時空的超高分辨測量，其中超快可以達(dá)到飛秒量級，光電子能譜可以達(dá)到納米量級，從而實(shí)現(xiàn)飛秒-納米的時空高分辨。相關(guān)的設(shè)施已經(jīng)建成驗(yàn)收并投入使用。
我國科學(xué)家還和法國等國的科學(xué)家合作，共同提出了激光驅(qū)動多束流的大科學(xué)設(shè)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(shè)施上產(chǎn)生，相當(dāng)于有5個光源可以相互作用，為科學(xué)研究提供全新的范式。
我國產(chǎn)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(tǒng)等方面做了巨大的努力，難度非常大。另一方面，我國科學(xué)家也提出利用飛秒激光來進(jìn)行阿秒分辨，通過雙光束的干涉調(diào)控，可以非常準(zhǔn)確地獲取電子在隧穿過程中的相位。同時又進(jìn)一步發(fā)展了阿秒鐘技術(shù)，利用飛秒激光脈沖準(zhǔn)確測量了電子Wigner隧穿時間，精度能達(dá)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(qiáng)變化，激光場越強(qiáng)，隧穿時間越短。比如說對于氬原子，當(dāng)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(dāng)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(xué)家通過這個原理，實(shí)現(xiàn)了用飛秒技術(shù)來看阿秒量級的動力學(xué)過程。
結(jié)語
作為2023年諾貝爾物理學(xué)獎的獲獎內(nèi)容，阿秒光的研究目前主要還集中在產(chǎn)生和測量方面，阿秒科學(xué)還是一個非常大的未開墾的領(lǐng)域。然而，阿秒脈沖的產(chǎn)生需要高度非線性的條件，對儀器、系統(tǒng)的穩(wěn)定度提出了很高的要求。同時因?yàn)槟壳鞍⒚牍饽芰坎粔蚋撸龀鼍_的研究有很大的難度，所以阿秒技術(shù)的發(fā)展還有待更多研究和更好的光源技術(shù)的支持。我相信未來阿秒光科技必然將進(jìn)一步拓展人類認(rèn)知的邊界。謝謝大家。
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