阿秒光脉冲的出现使人们能够结合阿秒量级的超高时间分辨率和原子尺度的超高空间分辨率，实现对原子-亚原子微观世界中的极端超快过程的控制和了解的梦想。
撰文 | 周胜鹏 刘爱华（吉林大学原子与分子物理研究所）
在以化石能源为动力的现代交通工具出现以前，马作为最快的交通工具已经为人类服务了几千年。千百年来，无数人好奇马在奔跑过程中，是四脚腾空，还是始终有一蹄着地。在照相技术出现后，人们就开始考虑用照相技术来解决这一问题。在摄影技术中，一个“快门”时间内可以曝光并记录一个动作，动作发生时间越短，需要记录它的“快门”就相应地要求越短，否则图像就会出现虚影。但早期的照相技术曝光时间长，成像速度慢。直到1878年，改进了快门的照相机得以应用，才由迈布里奇拍摄了一组赛马奔跑的照片 (见图1) 。迈布里奇的照片清晰地表明了，在马匹奔跑中的某一时刻，它的四蹄是全部离地的。因此，提高照相机的快门速度 (时间分辨能力) ，可以让我们对事物的认识提高到一个更高水平。
图1 迈布里奇1878年拍摄赛马奔跑时的照片
如今，人类的探测器已经飞出了太阳系，而天文学家们的观测范围更是达到了数百亿光年。空间的距离，可以通过光的传播进行测量，空间的分辨率则变成了在时间上要求更高的分辨率 (更快的快门) 。对于时间的分辨率，人们常常会用到以下几个关于时间的单位：皮秒 (1ps=10^-12 s) ，飞秒 (1fs=10^-15 s) 和阿秒 (1as=10^-18 s) 。
为了理解和感受这几个单位的时间长度，我们看一下光在相应时间单位内可以传播多长距离：1秒内光传播30万千米，可以环绕地球约7.5 次，在1 ps时间内，只能传播30cm的距离；在1fs时间内，则只能传播0.3μm，这个距离甚至不到一根头发丝的百分之一；而在1as 时间内，光只能传播0.3nm，也就是3个紧紧排在一起氢原子的长度 (或者说，1 as的时间还不够光绕氢原子的“赤道”跑一圈) 。
当人们对世界观察的时间尺度达到了阿秒量级，人们可观察的空间分辨也能够达到原子尺度 (0.1 nm) 和亚原子的尺度了。在这样的时间和空间尺度范围，人们对生物、化学和物理的研究边界也变得不断模糊，因为这些微观现象的根源在于电子的运动。这些微观过程中电子运动的时间尺度可以从几十飞秒到更小几十阿秒，如氢原子中电子绕核一周的时间为152as。阿秒光脉冲的出现使人们能够结合阿秒量级的超高时间分辨率和原子尺度的超高空间分辨率，实现对原子-亚原子微观世界中的极端超快过程的控制和了解的梦想。
1 什么是阿秒光脉冲
阿秒光脉冲是一种发光持续时间极短的光脉冲，其脉冲宽度小于1fs。为了更好地认识阿秒光脉冲，我们需要了解激光的产生和发展过程。
激光是一种具有发射方向单一、强度极高且相干性好等特点新型光源。激光的英文名为laser，即是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的缩写，字面意思为受激辐射对光进行放大。中国物理学家钱学森取其意将其命名为“激光”。20世纪60年代，美国加州休斯实验室的梅曼研发出了世界上的第一束激光。
根据发光持续时间的长短，激光一般被分类为连续激光和脉冲激光。连续激光能够在长时间内产生激光但输出的功率较低。脉冲激光工作方式是在一个个间隔的小时间段内发射光脉冲，其峰值功率很高。从20世纪激光诞生开始到其后的80年代，脉冲激光的单个脉冲时间可以达到皮秒量级。随着激光技术的不断发展，激光的脉冲宽度也在不断缩小。1981年，贝尔实验室的福克等人采用锁模技术将脉冲激光的脉冲宽度缩小到小于100 fs。2001年，奥地利维也纳技术大学的克劳茨研究组在实验上成功地利用气体高次谐波产生了脉宽为650 as的单个光脉冲，使光脉冲宽度达到阿秒量级。
超短的光脉冲有助于提高人们观察微观粒子高速运动的时间分辨率，就像高速相机允许人们记录如爆炸的气球或高速的子弹等更快的事件一样。飞秒激光的出现使人类第一次在原子和分子层面上观察到超快运动过程。我们这个世界的物质大都是由分子和原子组成，它们都在不停地飞速运动着，这是微观物质的一个非常重要的基本属性。飞秒激光可以让人们把化学反应过程拍成“电影”并对整个过程进行研究。而化学反应的本质是原子与分子中电子的运动。为了更加深入地观察电子的运动以及对其进行控制，飞秒激光所能够达到的时间分辨尺度以及对应的空间分辨尺度 (100nm) 显然是不能满足条件的。而现在实验上所能获得的阿秒光脉冲的脉冲宽度已经能够达到甚至短于电子在原子中的运动周期。阿秒光脉冲这种超短的时间分辨能力已经为基于研究电子运动的阿秒科学打开了大门。
2 阿秒光脉冲出现之前
在激光产生之后，人们就在追求脉冲激光的更高强度和更短脉冲时间过程中对相关技术进行了不断改进。其中，激光锁模技术的发明促进了飞秒激光的诞生，啁啾脉冲放大技术（CPA）以及腔外脉冲压缩技术等的出现则为产生高强度激光提供了可靠的方案并为阿秒光脉冲的出现铺平了道路。
激光锁模技术能够让大量高度相干、位相锁定的激光纵模同时振荡，合成一个时间宽度极短的高功率脉冲。
早期的锁模激光技术是在固体激光增益介质中实现，产生的激光脉冲宽度小于100ps。后来，在美国物理学家豪斯被动锁模理论的指导下，碰撞脉冲锁模方式 (CMP) 能够让激光脉冲宽度达到100fs。20世纪80 年代，人们对固体激光介质展开了一系列的研究工作，在运用钛蓝宝石 (Ti：Sapphire) 激光系统时发现的自锁模现象为超短激光的发展带来了技术革命。
自锁模现象是由于非线性介质中的克尔效应所引起，所以也被称为克尔透镜锁模。1999年，美国麻省理工学院的莫格纳等人利用克尔透镜锁模技术不仅让激光脉冲宽度达到了5.4fs，还使得脉冲宽度短于两个光学周期。利用飞秒激光的泵浦——探测技术，人们前所未有地观察到了化学反应的中间过程，并成功地控制了化学键的成键与断裂。从事该工作的泽韦尔教授也因此获得1999年诺贝尔化学奖。
通过锁模技术获得脉冲宽度达到几个飞秒的超短脉冲激光的同时，激光的输出功率也得到了极大的提升。但是随着激光输出功率的提高，激光增益介质会因为自聚焦等非线性光学效应而发生损伤，因此脉冲激光的峰值功率受到激光介质破坏阈值的限制。这一限制在长达十年的时间内没有获得大突破，激光器的输出功率密度也一直在10^12 W/cm^2附近止步不前。
1985年，美国罗切斯特大学的穆鲁和斯特里克兰两人首先提出了激光CPA技术，它能极大降低高功率激光放大过程中非线性效应对激光介质的破坏。CPA技术的基本原理是通过色散技术在放大前分散激光种子脉冲的能量，放大后再利用色散技术逆向将激光脉冲的时间宽度压缩到原来的状态，最终超短脉冲激光的强度得到极大提升。随着CPA技术广泛应用，小型化的飞秒100TW (1TW=10^12W) 级和1 PW (1PW=10^15W) 级的超强超短激光系统已经屡见不鲜。CPA技术目前已经在世界上所有高功率激光器 (超过100TW) 上使用。穆鲁和斯特里克兰为此也获得了2018年的诺贝尔物理学奖。
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