雷射、啁啾脈衝放大、超快光學和諾貝爾獎

本文作者趙昆，中國科學院物理研究所, 北京凝聚態物理國家研究中心，僅供交流學習之用，感謝分享！雷射天地轉載

北京時間2018年10月2日, 瑞典皇家科學院在斯德哥爾摩宣布, 將2018年諾貝爾物理學獎授予美國科學家阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)、法國科學家傑拉爾·莫如(Gérard Mourou)和加拿大科學家當娜·史翠蘭 (Donna Strickland), 以表彰他們「在雷射物理領域的突破性發明」. 阿什金的貢獻為「光學鑷子及其在生物系統的應用」, 莫如和史翠蘭的貢獻為「產生高強度超短光學脈衝的方法」. 本文將重點介紹這種「產生高強度超短光學脈衝的方法」和超快光學之間的關係.

超快光學是利用光學手段研究微觀粒子在原子分子尺度上的超快動力學和瞬態現象的物理學分支; 從某種意義上講可以看作是19世紀以來高速攝影發展起來的概念與20世紀60年代出現的雷射光源結合的產物.

人眼的視網膜有1/24 s(約42 ms)的視覺暫留效應, 所以人眼的時間分辨能力只有24 幀. 如果一個物體在42 ms中有明顯的運動或變化, 人眼就無法分辨其中的細節. 高速攝影利用極短的曝光時間或閃光燈將運動和變化的目標凝固或「定格」在一個或者一系列的剎那間——幀, 在這些「剎那間」目標的運動和變化小到可以忽略. 當一幀一幀回放時, 人們就可以對其變化的細節進行觀察、研究或者欣賞.

高速攝影是從英國人泰伯(William Henry Fox Talbot, 1800~1877)在1851年利用萊頓瓶做閃光燈拍攝了貼在旋轉轉輪上的報紙開始的,這後來被稱為「閃光攝影」(spark photography)。1878年英國出生後移民美國的攝影師邁布裡奇(Eadweard Muybridge, 1830~1904)與曾擔任加利福尼亞州州長的斯坦福(Leland Stanford, 1824~1893, 史丹福大學的創立者)在帕羅奧圖(Palo Alto)的馬場(即現在史丹福大學校園)拍攝了奔馬系列照片(Galloping Horse), 證實了馬在奔跑時有四蹄騰空的瞬間。同時期，以及之後的100多年間，紋影照相法(schlieren photography)、陰影照相法(shadowgraph)、轉鏡式高速攝影、光學分光法、變像管掃描法、頻閃攝影法(stroboscopic photography)等一系列技術相繼出現, 曝光時間、閃光燈時間和圖像間隔達到了微秒(1 μs=10^6 s)甚至納秒(1 ns=10^9 s)量級. 同時, 宏觀運動的速度是相當有限的. 比如百米賽跑世界紀錄是牙買加人博爾特的9.58 s, 平均10.4 m/s; 步槍或榴彈炮的彈丸離開槍炮口時的初速度是800 m/s左右; 傳說中的高超音速武器即使達到10倍音速, 也不過就是3400 m/s. 以第三宇宙速度(16.7 km/s)飛出太陽系的旅行者一號在1 ns中也只移動了16.7 μm, 這對於直徑幾米的飛船是可以忽略的. 現代高速攝影完全可以拍攝和研究宏觀物體和運動.

但是, 微觀粒子的運動速度要高得多. 處於氫原子基態電子的動能是13.6 eV, 對應於2.2×10^6m/s,比旅行者一號高了2個數量級。電子以此速度在玻爾半徑(5.3×10^11 m)上繞氫原子核轉1圈只需要大約1.5×10^16 s, 也就是150 as (1 as=10^18 s). 這只是氫原子中電子的最低速度, 激發態電子運動更快. 由於原子軌道模型, 玻爾(Niels Henrik David Bohr, 1885~1962)在1922年獲得諾貝爾物理學獎. 面對這樣一個瘋狂的微觀世界, 高速攝影中機械快門和閃光燈技術都顯得力不從心. 快門不可能更快了, 但是閃光還可以更短嗎?

美國休斯飛機公司下屬休斯實驗室的梅曼(Theodore Harold 「Ted」 Maiman, 1927~2007)在1960年實現了世界上第一個相干光源——紅寶石(摻鉻的三氧化二鋁晶體)雷射器, 輸出波長694.3 nm.這是一臺閃光燈泵浦的單頻雷射, 其脈衝寬度大約在微秒量級. 對於高速攝影而言, 梅曼雷射並沒有帶來參數(曝光時間)的飛躍. 但是作為一種基於完全不同物理過程的嶄新光源, 雷射為這個世界帶來了巨大的變革. 現在它幾乎無處不在, 從科研、工業和軍事到通訊、娛樂和藝術, 以及我們的日常生活——在影碟機裡就有雷射器、超市收款臺掃條碼的機器也是雷射、雷射甚至可以用來做治療近視眼和皮膚病的手術.

雷射的理論基礎是19世紀末到20世紀初發展起來的原子物理和量子力學, 包括原子能級結構、電子在能級之間的躍遷以及光(子)與電子的相互作用。基於這一理論體系，愛因斯坦(Albert Einstein，1879~1955)在1916年提出了受激輻射(stimulated emission)的概念。愛因斯坦1921年獲得諾貝爾物理學獎, 不過不是因為受激輻射, 而是因為光電效應和理論物理. 普通的輻射是處在系統(比如原子)上能級(激發態)的電子躍遷到下能級(低激發態或基態)並釋放一個光子，光子能量等於上下能級的能量差。這個過程沒有外界幹擾或觸發也會發生，稱為自發輻射(spontaneous emission)。多個原子產生自發輻射時, 每個原子輻射的光子能量可能是相同的, 但是它們的發射方向、偏振、相位是隨機的. 普通光源, 如日光、火光、白熾燈、閃光燈等, 都是自發輻射源. 而受激輻射是指電子處在上能級時, 同時有能量恰好等於上下能級能量差的光子入射, 電子就有一定概率躍遷到下能級同時釋放一個和入射光子一模一樣的光子——不僅能量，方向、偏振、相位等都一樣. 雷射之名也是源於此——Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER), 直譯就是受激輻射的光放大。這裡還引入了相干的概念——指兩束光或兩個光子具有相同的相位或固定的相位差，受激輻射產生的光子與入射光子是相干的, 或者說雷射是相干光。相干性是產生幹涉現象的前提, 也是雷射其他特性的基礎, 包括方向性和高亮度。相干性使人們可以把大量光子壓縮到超短的雷射脈衝裡作為超快光學的研究工具。

然而, 要想獲得實用並且可以持續運轉的雷射器, 還要滿足粒子數反轉的條件, 即電子處在上能級的原子要多於處在下能級的。同時雷射介質需要有多於僅僅上下兩個能級的結構來實現一個可操作的閉合電子躍遷路徑; 需要合適的泵浦源提供實現粒子數反轉的能量; 還要放置在諧振腔裡實現增益反饋。當光子在諧振腔裡傳播很多個來回, 不斷通過受激輻射產生大量相干光子, 就形成一束可以實際使用的雷射(圖1). 第一個受激輻射器是美國哥倫比亞大學的湯斯(Charles Hard Townes, 1915~2015)等人1953年做成的, 增益介質是用高壓電源泵浦的氨分子(NH3), 發射波長大約12 mm, 頻率24 GHz, 在微波波段, 因此被稱為MASER(Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, 激微波)。相關文章於1954和1955年發表。蘇聯科學院列別捷夫物理研究所的巴索夫(Nicolay Gennadiyevich Basov, 1922~2001)和普洛柴諾夫(Aleksandr Mikhailovich Prokhorov, 1916~2002)在1955年也發表了關於MASER的理論文章。這是人類掌握的第一個受激輻射源。以此為基礎，湯斯和他的妹夫——貝爾實驗室的肖洛(Arthur Leonard Schawlow, 1921~1999)在1958年提出了紅外和可見光波段受激輻射裝置的概念, 並稱之為「infrared and optical masers」。但是人們更樂於接受LASER這個詞, 最終「雷射」這一名稱確定了下來。1964年, 湯斯、巴索夫和普洛柴諾夫共同獲得諾貝爾物理學獎。肖洛也於1981年因為雷射光譜學與布隆伯根(Nicolaas Bloembergen, 1920~2017)一起獲得諾貝爾物理學獎。

由於在相同平均功率下, 脈衝越短峰值功率越高, 人們對更短光脈衝的追求自從雷射出現後就沒停止過。1961年，同樣在休斯實驗室工作的McClung和Hellwarth做出了第一臺調Q雷射器。他們在紅寶石雷射器的諧振腔裡安裝了一個克爾盒, 加電壓後可以改變透射光的偏振, 進而降低諧振腔的增益, 因此增益反饋無法維持, 雷射輸出也就沒有了。這時泵浦源還在運轉, 介質中粒子數反轉持續增強, 就好像把河道截流水位上漲一樣。再去掉克爾盒的電壓, 諧振腔增益反饋重新建立, 介質中儲存的能量迅速轉化成雷射脈衝輸出，就好像開閘放水。用這個辦法他們得到了120 ns的雷射脈衝。類似這種的調Q雷射器所能輸出的最短脈衝大約是10 ns。

1964年, 美國貝爾實驗室的Hargrove等人做出了第一臺鎖模雷射器。從此，鎖模技術成為人們獲得短脈衝的有效手段。在諧振腔中, 通常會有多個振蕩模式(稱為縱模)滿足諧振條件。屬於這些縱模的光子從增益介質出發在諧振腔裡跑一圈再回到增益介質時相位不變, 可以持續得到放大從而形成雷射。這些縱模頻率接近, 但是彼此獨立運轉, 相位之間沒有固定的關係。鎖模就是讓縱模相對相位固定下來, 多個頻率接近而且相位差固定的縱模就可以在時域上通過幹涉形成短脈衝; 縱模數目越多或者佔據的光譜越寬，形成的脈衝就有可能越短。已知光譜(頻域上的光強分布)和各光譜成分的相位, 可以通過傅立葉變換推導出時域上的電場分布, 從而計算出脈衝寬度。當各光譜成分的相位差均為零時，脈衝最短，稱為傅立葉變換極限(transform limited); 處於變換極限脈衝的脈寬和光譜寬度的乘積(時間帶寬積)具有最小值。如果相位差不為零, 時間帶寬積就會增加, 這種脈衝稱為啁啾脈衝。相比變換極限脈衝, 啁啾脈衝內各光譜成分的到達時間有差異, 脈衝寬度就增加了。

貝爾實驗室這臺雷射的增益介質是氦氖混合氣體，鎖模用的聲光調製器是熔石英. 在調製器上加上和腔長相匹配的調製頻率使不同步或相位不固定的頻率成分因為損耗太大而不能激發, 這種方式是主動鎖模. 他們在633 nm的中心波長獲得了重複頻率56 MHz, 2.5 ns半寬的脈衝輸出.

1965年, 美國Honeywell公司的Mocker和明尼蘇達大學的Collins在紅寶石雷射器上利用腔內飽和吸收體實現了第一次被動鎖模。介質的飽和吸收或非線性光學特性使得強度高於某一閾值的縱模可以幾乎毫無損失的在腔內傳播從而有利於增益放大, 而低於此閾值的縱模則由於損耗太大被抑制, 最終達到鎖模的目的。與外加調製信號的主動鎖模相比, 這是被動鎖模。這個結果只是一個原理性的驗證實驗, 並且只是調Q的被動鎖模雷射器，鎖模輸出是覆蓋在調Q包絡下時斷時續的脈衝序列. 第一臺連續輸出的被動鎖模雷射出現在1972年，是美國貝爾實驗室的Ippen等人實現的。他們在氬離子雷射泵浦的染料雷射器上利用染料飽和吸收盒獲得了中心波長600 nm左右的1.5 ps被動鎖模脈衝輸出。1981年，貝爾實驗室的Fork等人利用一種特殊的被動鎖模方式——碰撞脈衝鎖模, 實現了90 fs(1 fs=10^15 s), 帶寬5 nm的接近變換極限的脈衝輸出。1985年, 又是貝爾實驗室的Valdmanis等人在碰撞鎖模的染料雷射器腔內插入了一套稜鏡用來調節色散, 從而獲得了634 nm附近的27 fs脈衝。

以上講到的雷射都是在嚴格意義上滿足雷射器三元素的: 增益介質、泵浦源和諧振腔, 稱為「雷射振蕩器」。在二十世紀七八十年代鎖模染料雷射振蕩器迅速發展的同時, 作為現代廣義雷射器基礎的其他相關技術已經出現; 將要替代染料雷射的新介質和新鎖模技術也就要孕育成型了。廣義雷射是指那些不完全具備狹義三要素但是能夠產生相干輻射的光源, 包括雷射放大、頻率轉換、頻譜展寬等。這一系列的成果, 尤其是雷射放大, 成功地推動了雷射脈衝向更短更強的方向發展。

雷射放大是低能量脈衝經過已經獲得粒子數反轉的增益介質從而得到相對高能量的雷射脈衝輸出。這可以利用諧振腔(再生放大)也可以不用(多通放大)。早在1969年美國加州大學勞倫斯輻射實驗室(勞倫斯˙利弗莫爾國家實驗室的前身)的Swain和Rainer就用釹玻璃搭建了第一個再生放大器，那時被稱為「多通共振雷射放大器(many pass resonant laser amplifier)」。1970年聯合飛行器實驗室的Buczek等人搭建了一臺環形再生放大器。第一個具有現代放大器幾乎全部細節的再生放大器是1980年加州大學勞倫斯˙利弗莫爾實驗室(在勞倫斯輻射實驗室之後的勞倫斯˙利弗莫爾國家實驗室的前身)的Murray和Lowdermilk利用Nd:YAG(摻釹的釔鋁石榴石)實現的。1981年, 勞倫斯˙利弗莫爾國家實驗室的Murray等人發表了一篇對多通放大器進行詳細討論的文章。此時放大器的輸出脈衝能量受到雷射介質以及其他光學元器件破壞閾值的限制而不能太高。

1985年，美國羅切斯特大學的史翠蘭和莫如發表了啁啾脈衝放大的文章。他們把Nd:YAG振蕩器輸出的150 ps脈衝(譜寬5 nm, 已經是啁啾脈衝了)經過1.4 km的光纖展寬至300 ps, 然後送入釹玻璃再生放大器, 把入射脈衝大約30 nJ的能量放大了將近5個數量級至2 mJ。再經過光柵壓縮後產生了中心波長在1.06 μm的1.5 ps脈衝。這裡脈寬和能量的參數都不算太出眾, 但是他們引入色散在時域上將種子光脈衝拉長的方法突破了放大器輸出脈衝能量的限制。放大器內限制脈衝能量的參數不是脈衝能量本身, 而是光功率密度, 就是能量除以脈衝寬度再除以光斑面積。功率密度正比於雷射在傳播介質內電場強度的平方, 代表了雷射在介質中引起非線性過程、多光子過程、電離以至於介質材料破壞的能力。在低功率密度下, 雷射在介質中會發生折射、反射、衍射、散射、色散等線性光學過程; 當功率密度達到一定閾值以上時, 就會發生自相位調製、自聚焦、頻率變換等非線性光學過程, 可能導致雷射脈衝時間和空間上的畸變甚至破壞; 再高, 就會產生介質電離甚至損壞。在光斑面積不變的條件下, 尤其對於超短雷射脈衝, 比如皮秒和飛秒脈衝, 微焦量級的能量就可能產生會引起介質電離和損壞的功率密度, 破壞雷射放大器中的增益介質和其他光學元件, 限制了其輸出能量。史翠蘭和莫如的啁啾脈衝放大將雷射光譜中不同的頻率成分在時間上彼此拉開, 增加脈衝寬度, 這就降低了功率密度, 抑制了破壞性的非線性光學和電離等過程; 低功率密度的脈衝就可以從增益介質中提取更多的能量。當放大到相同的閾值功率密度時, 這樣的長脈衝就可以攜帶更多的能量, 再經過消除色散的壓縮器就可以獲得峰值功率高出元器件破壞閾值的脈衝(圖2)。啁啾脈衝放大技術使雷射放大器的輸出脈衝能量幾乎沒有了上限, 成為當今高能脈衝雷射的堅實基礎。這正是史翠蘭和莫如在33年之後獲得諾貝爾物理學獎的原因——「產生高強度超短光學脈衝的方法」。

幾乎同時, 另一個對當代雷射物理和技術有著巨大影響的發現在1986年出現了。美國施瓦茨電光公司的Moulton和聯邦德國漢堡大學的Albers等人同時公布了一種新雷射介質——鈦寶石(Ti:Al2O3, 摻鈦三氧化二鋁)。3年後, 英國倫敦帝國學院的French等人首先對鈦寶石實現了腔外主動鎖模。1991年，蘇格蘭聖安德魯斯大學的Spence等人實現了被動鎖模並獲得60 fs的脈衝輸出。與以往不同的是, Spence等人的雷射腔裡沒有飽和吸收介質, 被動鎖模完全是靠鈦寶石中的一種被稱為「克爾透鏡」的非線性光學效應實現的。1993年, 美國華盛頓州立大學Kapteyn和Murnane夫婦的研究組實現了鈦寶石振蕩器11 fs的鎖模脈衝輸出; 2001年, 德國卡爾斯魯厄大學等單位的Ell等人利用鈦寶石振蕩器獲得了脈寬5 fs, 光譜覆蓋超過一個倍頻程的脈衝輸出。克爾透鏡鎖模有多種技術上的優勢, 尤其對比當時廣泛應用的染料雷射, 取消了液體染料和吸收劑的全固態鈦寶石諧振腔使建造雷射器變得異常簡單。對比染料, 鈦寶石的上能級壽命更長、飽和通量更高, 更有利於產生高功率雷射輸出; 同時, 鈦寶石具有優秀的光學均一性和導熱性、較高的硬度和破壞閾值, 尤其是非常寬的吸收和發射光譜, 可以支持亞5 fs脈衝; 即使與眾多的固體雷射材料相比其參數也異常出眾。

與啁啾脈衝放大和克爾透鏡鎖模技術相結合, 鈦寶石雷射飛速發展, 逐漸成為到目前為止在超短和超強雷射脈衝領域應用最廣泛的介質。1991年, 時在美國密西根大學的莫如，以及史丹福大學和加州大學伯克利分校已經用鈦寶石振蕩器和放大器在較低的重複頻率上(10 Hz)獲得了脈寬100 fs左右、能量超過1 mJ的雷射脈衝, 尤其加州大學伯克利分校的脈衝能量達到了450 mJ。1995年, 華盛頓州立大學在10 Hz重頻獲得了26 fs, 60 mJ的脈衝。同時, 美國密西根大學、賓夕法尼亞大學、華盛頓州立大學[34]和奧地利維也納科技大學也利用鈦寶石振蕩器和放大器在千赫茲重複頻率上獲得了能量在亞毫焦至毫焦量級的飛秒雷射脈衝。1995~2000年, 中山大學、中國科學院西安光學精密機械研究所和中國科學院物理研究所也分別實現了20 fs左右的鈦寶石鎖模振蕩器脈衝輸出, 5 kHz, 50 fs, 0.1 mJ和10 Hz, 25 fs, 36 mJ的鈦寶石放大器脈衝輸出。

目前, 鈦寶石放大器可以輸出脈寬小於15 fs, 能量0.2 J, 峰值功率超過10 TW(1 TW=10^12 W)的脈衝(2013年, 美國中佛羅裡達大學)；或者能量高於192 J, 脈寬小於30 fs, 從而峰值功率超過5 PW(1 PW=1015 W)的脈衝(2015年, 中國科學院上海光學精密機械研究所)。時至今日, 以鈦寶石為雷射介質, 利用克爾透鏡技術實現鎖模種子雷射, 利用啁啾脈衝技術進行能量放大的超短超強脈衝雷射廣泛應用於原子分子物理、超快光學、超快化學、瞬態光譜學、等離子體物理、雷射粒子加速、核物理與核醫學、實驗室天體物理、雷射聚變、高能物理等領域, 成為前沿科技發展的最重要驅動光源。在鈦寶石介質、克爾透鏡鎖模和啁啾脈衝放大這3個核心元素中, 鈦寶石與克爾透鏡現象都是自然界中原本存在的, 而啁啾脈衝放大則是人類智慧的結晶。從這一點看, 以及在這30多年中超短超強雷射脈衝為人類科研與生活帶來的巨大影響, 2018年的諾貝爾物理學獎可以說是實至名歸。

超短超強相干光脈衝, 就超快光學領域而言, 為我們提供了可以對微觀運動進行觀察甚至拍照的閃光燈。如果我們利用探測器記錄對應於一系列雷射脈衝中每個脈衝的微觀狀態或粒子運動的一系列現象, 比如光譜、吸收、螢光輻射、粒子動量或能量等, 就相當於給它們拍了一系列高速攝影照片。從時間尺度上講, 晶體中晶格的振動、化學反應, 或是小分子的轉動對應於皮秒或更長, 可以用皮秒雷射脈衝來觀測; 化學鍵或小分子的振動則發生在飛秒量級; 而更快的電子運動, 就需要阿秒脈衝才能分辨. 基於脈衝雷射的現代超快光學就是沿著這條軌跡發展起來的。

在雷射發明之前人們已經開始研究微觀粒子的運動和變化了。1950年前後, 英國劍橋大學的Porter就利用強閃光燈引發化學反應, 又用泵浦探測的方法通過測量中間產物的光譜來測量反應速度, 精度可以達到微秒量級。由於對超快化學反應的研究工作, 他們和Manfred Eigen分享了1967年的諾貝爾化學獎。

在雷射發明之後, 脈衝雷射迅速地被應用到超快測量當中。早在1967年, 美國IBM華生研究中心的Shelton和Armstrong通過測量透射率隨時間的變化測量了染料飽和吸收的弛豫時間, 確定其上限是25~35 ps。在二十世紀七八十年代, 人們利用皮秒雷射器對分子動力學過程進行了大量的研究工作，包括液體中光致克爾效應、反應中間態壽命、雙分子反應、分子間能量或電荷轉移、分子轉動和振動、分子異構體轉化等等; 使用的激發和探測手段主要包括拉曼光譜、共振吸收以及螢光輻射等; 所研究的過程長至幾個納秒, 短至皮秒。尤其是美國加州理工學院的澤維爾(Ahmed Hassan Zewail, 1946~2016)1985年發表了有關氰化碘分子解離過程的文章, 以及在1988年前後有關化學反應超快研究的文章, 最終產生了被稱為「飛秒化學」的研究領域, 把超快光學的研究推進到了飛秒尺度。澤維爾也因此在1999年獲得諾貝爾化學獎。

對於氰化碘(ICN)的解離過程, 澤維爾的數據分析表明, 碘和氰的解離發生在200 fs之內, 在此期間氰化碘分子最多只轉動了7°。也就是說, 在飛秒尺度上, 相對比較慢的分子轉動幾乎被凍結了。這正是高速攝影所追求的將運動定格的效果: 超快光學的技術可以把氰化碘分子在200 fs內解離的過程一幀一幀拍下來進行分析, 而更慢的分子轉動在整個解離過程中都被凍結, 這對於人們把不同的動力學過程相互隔離以分別進行研究是必不可少的手段。

還要不要更快呢? 我們通常接觸到的物理和化學現象, 除去引力(包括重力)作用, 基本都屬於電磁相互作用過程。例如, 原子中電子的躍遷和電離; 化學材料和生物體中化學鍵的斷裂和形成; 固體中的電聲子散射、等離激元、超導相變; 尤其是光與物質的相互作用, 例如光電效應、各種吸收和輻射、包括受激輻射。這些現象的物理基礎是帶電粒子的相互作用及其運動。電子是常見的帶電粒子中質量最小的, 在物理過程中的響應速度要比原子分子和晶格結構快得多, 因此, 電子運動和電子關聯是多電子體系中基礎和核心的物理過程。皮秒或飛秒尺度的晶格和分子運動其實發生在電子運動之後, 是電子運動的結果。例如, 在雙原子分子的光致解離過程中, 首先是外層電子吸收光子後躍遷到不穩定的高能量態, 促使分子中的兩個原子向相反方向運動最終分離。電子超快運動是透徹地了解這些物理現象的鑰匙。

電子運動的時間尺度是在阿秒量級。現有飛秒脈衝的中心波長在可見到近紅外波段, 周期在1~3 fs左右, 無法獲得0.1 fs的脈衝。獲得阿秒脈衝的辦法是將整個光譜向短波方向移動到深紫外甚至X射線波段。

隨著雷射技術的發展, 尤其是啁啾脈衝放大技術的出現, 人們把飛秒雷射脈衝的能量提高到了毫焦以上。幾十至幾飛秒的脈衝經過光學聚焦, 焦點處的峰值功率密度或電場強度可以與原子內部束縛電子的庫倫場相比較。在這種條件下, 電子就可以掙脫原子核的束縛進入自由態而發生電離。1963年，美國俄亥俄州立大學的Damon和Tomlinson以及聯合飛行器實驗室的Meyerand，Jr.和Haught分別利用紅寶石雷射器進行了氣體電離實驗，這最終導致強雷射場電離研究領域的形成。1987和1988年，美國伊利諾伊大學芝加哥分校的McPherson等人和法國原子和表面物理研究所的Ferray和L』Huillier等人分別觀察到雷射電離過程中的光輻射——高次諧波, 波長短至幾十納米, 位於極紫外波段。993年, 加拿大國家研究委員會的Corkum詳細闡述了強場電離的半經典三步模型，解釋了高次諧波光子出現的原理。次年, Corkum等人又提出了利用高次諧波產生孤立阿秒光脈衝(區別於不加處理的高次諧波對應的阿秒脈衝串)的理論和方法. 2004年, 奧地利維也納科技大學Krausz研究組利用5 fs的驅動雷射結合基於瞬態光電子譜的阿秒條紋相機測量並重構了脈寬為250 as的孤立脈衝, 在實驗上突破了飛秒的界限。自此, 超快光學就進入了阿秒領域。

2012年, 美國中佛羅裡達大學常增虎研究組獲得了67 as的孤立脈衝, 中心光子能量90 eV(波長約14 nm)。2013年, 中國科學院物理研究所魏志義研究組使用3.8 fs的驅動脈衝獲得了160 as的孤立脈衝，是國內阿秒脈衝的唯一實驗結果。在2017年7月由中國科學院物理研究所主辦的第六屆國際阿秒物理會議上，常增虎研究組和瑞士蘇黎世聯邦理工學院Wrner研究組分別報導了更短的脈衝。常增虎研究組於2017年8月份發表了正式論文, 用脈寬12 fs的中紅外雷射驅動獲得了53 as的孤立脈衝, 中心光子能量為170 eV(波長7.3 nm), 刷新了自己保持的前世界紀錄, 並且第一次將阿秒脈衝的光子能量提高到100 eV以上。2個月後, Wrner研究組也在發表的論文中公布了脈寬僅43 as的實驗結果, 成為最新的相干光脈衝世界紀錄。

有了阿秒光脈衝這個超快的閃光燈, 就可以觀測電子運動, 給電子拍電影了。2010年, 德國馬普量子光學所和慕尼黑大學與美國加州大學伯克利分校、勞倫斯 · 伯克利國家實驗室和阿貢國家實驗室合作發表了用阿秒脈衝對氪離子中電子波包超快動力學研究的成果。他們在實驗中觀察到了氪離子對阿秒脈衝吸收譜隨時間的振蕩, 並推算出了氪離子的電子波包在兩個能級之間的振蕩躍遷——這就是用阿秒脈衝作為閃光燈給電子拍攝的高速攝影照片。這組電子照片的曝光時間小於150 as; 兩幀之間的間隔只有1 fs。

阿秒是目前人類掌握的最短時間尺度, 如果能將相干光脈衝縮短到10 as, 就應該能夠完全勝任對電子動力學的超快時間分辨研究了。自從雷射出現, 一系列相關技術的發展, 包括啁啾脈衝放大這樣的關鍵性技術, 把超快光學帶入了阿秒領域, 使人們可以對原子內部電子運動和關聯行為進行探測。精密測量電子的動力學特性, 實現對其物理性質的理解, 進而控制原子內電子的動力學行為是人們追求的重要科學目標之一。有了阿秒脈衝, 我們就能測量甚至操縱單個微觀粒子, 進而對微觀世界, 也就是一個被量子力學主宰的世界, 進行更基礎更具有原理性的觀察和描述。隨著阿秒光源的發展和應用範圍的拓展, 阿秒光學會發展到阿秒物理學、阿秒化學、阿秒生物學、阿秒電子學等, 去深入研究在不同材料不同體系中的電子超快運動, 給各種各樣的電子運動拍攝它們的高速電影。基於其發展前景和重要性, 阿秒光學在國際上受到歐美日韓等的重視。我國科學技術部、國家自然科學基金委員會和中國科學院都投入了重點資金開展研究工作, 目的是深入研究和探索獲得更短和更強阿秒脈衝的理論和技術方法, 同時帶動國內開展阿秒光學的前沿研究和推動阿秒光學在科研領域的廣泛應用。

作者簡介：趙昆，中國科學院物理研究所副研究員。從事阿秒光學、超快光學、強場物理、超短超強飛秒雷射、超快動力學等方向的研究工作, 尤其在極紫外阿秒脈衝的產生和測量、以及少周期飛秒雷射脈衝的產生和應用等領域取得了具有國際先進水平的成績。2011年獲評美國光學學會資深會員; 2018年成為國際阿秒科學與技術委員會委員。