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阿秒脈沖激光是指持續(xù)時(shí)間為阿秒量級(jí)(1×10^-18 秒)的超短激光脈沖。電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的時(shí)間尺度為阿秒量級(jí)，研究這種決定物質(zhì)特性的電子動(dòng)力學(xué)過(guò)程，需要由阿秒脈沖激光技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。2016年，德國(guó)馬普光學(xué)研究所首次觀測(cè)到阿秒量級(jí)內(nèi)固體材料中激光誘導(dǎo)電子的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，并通過(guò)模擬證明了通過(guò)控制激光光場(chǎng)來(lái)解決電子材料發(fā)熱問(wèn)題的可行性。

 圖1 不同運(yùn)動(dòng)過(guò)程的時(shí)間尺度

阿秒脈沖激光的出現(xiàn)被認(rèn)為是激光科學(xué)歷史上最重要的里程碑之一，應(yīng)用前景難以估量，目前已經(jīng)成為物理、化學(xué)、生物等眾多領(lǐng)域重要的研究手段，成功用于測(cè)量和控制內(nèi)殼層束縛電子運(yùn)動(dòng)等過(guò)程，將人們研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的視野從分子拓展到原子內(nèi)部。阿秒脈沖激光技術(shù)的發(fā)展，引發(fā)了X射線、自由電子激光、可控高溫超導(dǎo)、超高分辨成像、電子信息處理等領(lǐng)域科學(xué)與技術(shù)層面研究的諸多重大突破。鑒于其巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值，美國(guó)、歐洲、日本等將阿秒激光技術(shù)列為未來(lái)10年激光科學(xué)發(fā)展最重要的發(fā)展方向之一。
 

目前阿秒脈沖激光主要是由飛秒（10^-15秒）激光（也稱超快超強(qiáng)激光）作用于惰性氣體而產(chǎn)生的高次諧波所形成的。產(chǎn)生的過(guò)程為：在飛秒脈沖激光的激發(fā)下，惰性氣體元素的電子以隧穿電離的方式離開(kāi)母核并在強(qiáng)激光場(chǎng)中被加速，最后在激光電場(chǎng)反向時(shí)，以一定的幾率概率與母核碰撞，從而將從激光場(chǎng)獲得的能量以X射線光子的形式輻射出來(lái)。所輻射的X射線是入射激光脈沖的高次諧波，它繼承了入射激光脈沖的光學(xué)性質(zhì)，發(fā)散角很小，具有很好的相干性和空間相干性。

圖2 利用高次諧波產(chǎn)生阿秒脈沖激光過(guò)程示意圖

脈寬紀(jì)錄不斷被刷新。2001年，由當(dāng)時(shí)在奧地利維也納技術(shù)大學(xué)的費(fèi)倫茨·克勞茲教授領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究小組利用上述原理首次獲得脈寬650阿秒激光；2006年，美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的亞歷山大和威廉等人利用級(jí)聯(lián)自由電子激光器產(chǎn)生的飛秒激光脈沖激發(fā)惰性氣體，產(chǎn)生了脈寬為100阿秒超短激光脈沖；2012年，美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)趙昆等人使用雙偏振門控方法，將飛秒激光脈沖激發(fā)氖氣形成高次諧波，獲得了67阿秒的超短激光脈沖；2017年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院托馬斯·高姆尼茨（Thomas Gaumnitz）進(jìn)一步將脈沖時(shí)間縮短到43阿秒。

阿秒激光誘導(dǎo)電子振蕩技術(shù)獲得突破。2013年，德國(guó)馬普光學(xué)研究所阿秒物理實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，超高峰值功率的超短激光脈沖可以改變絕緣材料電特性，在絕緣體中引發(fā)超快振蕩的電場(chǎng)和電流，電場(chǎng)和電流的振蕩與入射激光的“開(kāi)”與“關(guān)”直接相關(guān)，進(jìn)而說(shuō)明絕緣體導(dǎo)電性的轉(zhuǎn)換是在阿秒級(jí)時(shí)間內(nèi)完成的，該實(shí)驗(yàn)證明材料的基本導(dǎo)電特性能夠以光場(chǎng)的振蕩速度來(lái)增加或減小。

人工控制電子技術(shù)取得重大進(jìn)展。上述現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為研制處理頻率達(dá)拍赫茲（1015赫茲）量級(jí)的電子開(kāi)關(guān)器件奠定了基礎(chǔ)，這個(gè)頻率是當(dāng)前的電子開(kāi)關(guān)處理頻率的數(shù)萬(wàn)倍。2016年，馬普光學(xué)研究所聯(lián)合美國(guó)佐治亞州立大學(xué)、日本筑波大學(xué)等組成國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，將只包含一個(gè)強(qiáng)振蕩脈沖的激光作用于二氧化硅固體材料（脈寬時(shí)間內(nèi)電子只能向左和向右振蕩一次），然后使用脈寬短于100阿秒的光學(xué)手段測(cè)量驅(qū)動(dòng)光場(chǎng)的空間電場(chǎng)結(jié)構(gòu)，從而首次實(shí)現(xiàn)對(duì)固體材料中電子動(dòng)力學(xué)過(guò)程的探測(cè)。研究發(fā)現(xiàn)：電子在經(jīng)歷幾十個(gè)阿秒之后與入射激光場(chǎng)的相互作用，這個(gè)過(guò)程的延遲時(shí)間決定了激光場(chǎng)與材料之間交換的能量。模擬計(jì)算表明，通過(guò)調(diào)整光場(chǎng)的振幅可以優(yōu)化激光與材料之間交換的能量，從而證明了通過(guò)控制激光脈沖優(yōu)化超快信號(hào)處理過(guò)程中的能量交換，使電子器件的發(fā)熱量達(dá)到最低的理論可行性。
 

對(duì)生化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)量子相干控制。量子相干控制的基本思想是：脈沖寬度足夠短，入射光與原子相互作用極快，不會(huì)受到外界環(huán)境的影響，這樣，就可以通過(guò)改變激光脈沖，控制反應(yīng)按照特定的方式進(jìn)行，得到預(yù)期的效果。在生物、化學(xué)反應(yīng)中，分子角動(dòng)量起到非常重要的作用。但分子角動(dòng)量的空間分布是隨機(jī)的，控制角動(dòng)量極具挑戰(zhàn)。脈沖寬度為飛秒至阿秒量級(jí)的超快激光，可對(duì)生化反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行全面控制，從而得到預(yù)期的結(jié)果。比如在生命科學(xué)中，阿秒脈沖激光將最終從根本上（電子運(yùn)動(dòng)方式的層面）幫助人們弄清楚疾病產(chǎn)生的微觀起因、形成和發(fā)展。

可大幅提升電子器件運(yùn)行速度。現(xiàn)代電子學(xué)無(wú)論在時(shí)間還是空間上都在朝著原子量級(jí)推進(jìn)，這就意味著有有望在原子尺度內(nèi)制作電路，并通過(guò)控制光電場(chǎng)開(kāi)關(guān)電流。阿秒脈沖激光技術(shù)為研制拍赫茲的超高頻電子器件開(kāi)辟了道路，可將電子器件的運(yùn)行速度提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)且有望解決電子器件發(fā)熱嚴(yán)重的問(wèn)題，可能成為新一輪電子信息技術(shù)革命的推動(dòng)力。

有望助力能源革命。在能源領(lǐng)域，可利用阿秒脈沖激光研究新材料中的電子和空穴對(duì)之間的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制，控制電子的轉(zhuǎn)移過(guò)程，推進(jìn)超導(dǎo)技術(shù)研究，提升人工光合作用和太陽(yáng)能電池的效率。