阿秒物理——2023年诺贝尔物理学奖解读.pdf

D O I:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 3-0 9 7 2.2 0 2 4.0 2.0 2 2 文章编号:1 0 0 3-0 9 7 2(2 0 2 4)0 2-0 2 7 4-0 7阿秒物理 2 0 2 3年诺贝尔物理学奖解读翟春洋,刘一凡,吴银梦,李盈傧,汤清彬*,余本海(信阳师范大学 物理电子工程学院,河南 信阳 4 6 4 0 0 0)摘 要:2 0 2 3年诺贝尔物理学奖授予美国俄亥俄州立大学的皮埃尔阿戈斯蒂尼(P i e r r e A GO S T I N I)、德国马克斯普朗克量子光学研究所的费伦茨克劳斯(F e r e n c K R AU S Z)和瑞典隆德大学的安妮吕利耶(A n n e LHU I L L I E R),他们在实验上产生了高次谐波、阿秒脉冲串和孤立阿秒脉冲,为阿秒物理奠定了基础。详细介绍了高次谐波和阿秒脉冲的产生及其在强场超快光学领域的应用,并展望了其在超快探测过程中面临的机遇。关键词:阿秒物理;高次谐波;阿秒脉冲;超快光学中图分类号:O 4 3 7 文献标识码:A 开放科学(资源服务)标识码(O S I D):A t t o s e c o n d P h y s i c s:I n t r o d u c t i o n o f t h e 2 0 2 3 N o b e l P r i z e i n P h y s i c sZ H A I C h u n y a n g,L I U Y i f a n,WU Y i n m e n g,L I Y i n g b i n*,T A N G Q i n g b i n*,Y U B e n h a i(C o l l e g e o f P h y s i c s a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g,X i n y a n g N o r m a l U n i v e r s i t y,X i n y a n g 4 6 4 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T h e 2 0 2 3 N o b e l P r i z e i n P h y s i c s w a s a w a r d e d t o P i e r r e AG O S T I N I o f t h e O h i o s t a t e u n i v e r s i t y,F e r e n c K R AU S Z o f M a x P l a n c k i n s t i t u t e o f q u a n t u m o p t i c,a n d A n n e LHU I L L I E R o f L u n d u n i v e r s i t y f o r t h e i r e x p e r i m e n t a l m e t h o d s i n g e n e r a t i n g a t t o s e c o n d p u l s e s o f l i g h t f o r t h e s t u d y o f e l e c t r o n d y n a m i c s i n m a t t e r.T h e y e x p e r i m e n t a l l y p r o d u c e d h i g h-o r d e r h a r m o n i c s,a t t o s e c o n d p u l s e t r a i n s,a n d i s o l a t e d a t t o s e c o n d p u l s e s,l a y i n g t h e f o u n d a t i o n f o r a t t o s e c o n d p h y s i c s.T h e g e n e r a t i o n a n d a p p l i c a t i o n s o f h i g h-o r d e r h a r m o n i c s a n d a t t o s e c o n d p u l s e s i n s t r o n g-f i e l d u l t r a f a s t o p t i c s w e r e e l a b o r a t e d,a l o n g w i t h a n o u t l o o k o n t h e o p p o r t u n i t i e s a n d c h a l l e n g e s i n u l t r a f a s t d e t e c t i o n p r o c e s s e s.K e y w o r d s:a t t o s e c o n d p h y s i c s;h i g h-o r d e r h a r m o n i c;a t t o s e c o n d p u l s e;u l t r a f a s t o p t i c s0 引言2 0 2 3年,美国俄亥俄州立大学的皮埃尔阿戈斯蒂尼(P i e r r e AGO S T I N I)、德国马克斯普朗克量子 光 学 研 究 所 的 费 伦 茨 克 劳 斯(F e r e n c K R AU S Z)和瑞典隆德大学的安妮吕利耶(A n n e LHU I L L I E R),因开辟产生阿秒脉冲实验方法方面所做的开创性贡献被授予诺贝尔物理学奖。其中LHU I L L I E R利用红外激光驱动稀有气体产生高次谐波,首次在实验上观察到了高次谐波光谱的 平 台 区1,为 获 得 阿 秒 脉 冲 奠 定 了 基 础。AGO S T I N I和K R AU S Z分别首次在实验上观测并表征了阿秒脉冲串2和孤立阿秒脉冲3,打开了研究电子世界的大门,并为阿秒物理这一全新领域开辟了道路。什么是阿秒脉冲?阿秒脉冲有哪些应用?荣获诺贝尔物理学奖的3位科学家有哪些突出贡献?本文将围绕这些问题简要介绍3位科学家的相关工作以及阿秒物理未来的发展前景。1 高次谐波人们每天都会接触到光,光是人类生活中必不 收稿日期:2 0 2 3-1 0-0 9;修回日期:2 0 2 3-1 1-2 5;*.通信联系人,E-m a i l:z h a i c y x y n u.e d u.c n;q i n g b i n t a n g x y n u.e d u.c n 基金项目:国家自然科学基金项目(1 2 1 0 4 3 8 9,1 2 0 7 4 3 2 9,1 2 0 0 4 3 2 3);信阳师范学院“南湖学者奖励计划”青年项目 作者简介:翟春洋(1 9 9 1),男,河南南阳人,讲师,博士,主要从事超强激光与物质相互作用研究。引用格式:翟春洋,刘一凡,吴银梦,等.阿秒物理 2 0 2 3年诺贝尔物理学奖解读J.信阳师范学院学报(自然科学版),2 0 2 4,3 7(2):2 7 4-2 8 0.Z HA I C h u n y a n g,L I U Y i f a n,WU Y i n m e n g,e t a l.A t t o s e c o n d P h y s i c s:I n t r o d u c t i o n o f t h e 2 0 2 3 N o b e l P r i z e i n P h y s i c sJ.J o u r n a l o f X i n y a n g N o r m a l U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n),2 0 2 4,3 7(2):2 7 4-2 8 0.472信阳师范学院学报(自然科学版)J o u r n a l o f X i n y a n g N o r m a l U n i v e r s i t y第3 7卷 第2期 2 0 2 4年4月N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n V o l.3 7 N o.2 A p r.2 0 2 4可少的一部分。人们研究光学已经持续了几千年,并且还在不断地研究。光学是研究光的传播及其与物质相互作用的学科,早期的光学研究主要基于反射定律和折射定律,以发展几何光学为主。在现代光学研究中,人们主要是研究激光出现之后的光学新进展。激光科学发轫于1 9 1 7年E I N S T E I N4提出的受激辐射概念,融汇了量子理论、无线电电子学、微波波谱学和固体物理学。在历经了众多科学家的长期研究之后,MA I MAN5于1 9 6 0年终于制造出了人类史上的第一台激光器。此后,随着调Q技术(Q-s w i t c h i n g)6、锁模技术(M o d e l o c k i n g)7以及啁啾脉冲放大(C h i r p e d p u l s e a m p l i f i c a t i o n)8等技术的发展,激光技术实现了突飞猛进的发展和应用。激光脉冲的脉宽逐渐从最初的百微秒(1 0-6 s,s)发展到了纳秒(1 0-9 s,n s)、皮秒(1 0-1 2 s,p s)甚至飞秒(1 0-1 5 s,f s)量级,激光科学俨然成为现代物理学的一个璀璨成果。尤其自LHU I L L I E R于1 9 8 8年首次在实验上观测到完整的高次谐波光谱以来1,激光技术进一步实现了质的飞跃。高次谐波是强激光场与物质相互作用过程中发生的高阶非线性现象,其辐射过程可以利用半经典“三步模型(S e m i c l a s s i c a l t h r e e-s t e p m o d e l)”解释9。如图1所示,在半经典“三步模型”描述中,(一)激光电场压低处于基态的电子一侧的库仑势垒,电子从母核周围的势垒中隧穿出去;(二)从库仑势垒中隧穿出来的电子在激光电场中可以看作经典粒子,遵从牛顿力学规律,在激光电场的作用下做加速运动;(三)在特定时刻电离出去的电子能够在激光电场的作用下向母核回复,并与母核发生碰撞,激发出一个光子即高次谐波。图1 半经典三步模型概述1 0F i g.1 S u mm a r y o f t h e s e m i c l a s s i c a l t h r e e-s t e p m o d e l1 0由于激光电场的对称性,高次谐波的辐射过程每半个光周期发生一次。此外,半经典“三步模型”还成功解释了高次谐波截止区发生处的光子能量Ek为Ek=Ip+3.1 7Up,(1)式中:Ip是介质的电离能;Up是电子在激光场中获得的有质动力能,有质动力能正比于激光场的强度以及波长的平方。高次谐波产生与探测的实验系统如图2所示。入射激光一般为超强飞秒驱动激光,飞秒激光先经过一套能量调节装置,如一个半波片和一个偏振片组合,可以调节飞秒激光的能量。光束经过光阑整形后,飞秒激光被凸透镜聚焦,在焦点附近的瑞利长度范围内聚焦功率密度达到1 01 4 W/c m2量级。聚焦后的飞秒激光与气体介质相互作用,发生图1所描述的“三步过程”,即产生高次谐波。接着,光束经过一层厚度为百纳米的铝膜后过滤掉光路中的入射激光,只让高次谐波透射过去,然后高次谐波经过一个狭缝入射到一个平焦场光栅上。空间上被光栅分光的不同频率的高次谐波经过微通道板进行倍增放大之后呈现在荧光屏上,荧光屏上的高次谐波信号由计算机控制的电荷耦合元件进行读取。值得注意的是,高次谐波波长一般处于极紫外或软X射线波段,因此高次谐波的产生和探测均需在真空环境中进行。图2 高次谐波产生与探测的实验装置F i g.2 E x p e r i m e n t a l s e t u p u s e d f o r h i g h-o r d e r h a r m o n i c g e n e r a t i o n a n d d e t e c t i o n1 9 8 8年,LHU I L L I E R及合作者正是利用类似的实验装置,采用波长为1 0 6 4 n m的N d:YAG激光驱动A r、K r、X e等稀有气体,探测到了高次谐波信号,并首次观测到了包含微扰区、平台区和截止区在内的完整高次谐波光谱1。图3是高次谐波光谱典型特征示意图,高次谐波光谱在整体上包括强度快速下降的微扰区、强度保持基本不变的平台区以及强度明显再次下降的截止区。由于高次谐波产生过程中的驱动激光场强度已经超过了原子内部的库仑场强度,高次谐波产生过程超越了微扰理论,因此无法用微扰理论解释高次谐波光谱特征中平台区的存在。对于单色驱动激光场,其辐射的高次谐波频率间隔为驱动激光场频率的两倍,即572翟春洋,刘一凡,吴银梦,等.阿秒物理 2 0 2 3年诺贝尔物理学奖解读只有奇数次谐波出现。图3 高次谐波光谱特征示意图F i g.3 C h a r a c t e r i s t i c o f h i g h-o r d e r h a r m o n i c s p e c t r u m2 阿秒脉冲2.1 阿秒脉冲串实验上,超强飞秒驱动激光与气体介质相互作用,产生高次谐波的最大频率可以达到飞秒驱动激光频率的几十倍甚至上百倍。这些不同频率成分的高次谐波之间互相相位锁定,具有相干性。因此,选择若干频率成分的高次谐波进行叠加,可以获得一个时域上的光脉冲。高次谐波的波长可以达到极紫外或软X射线波段,合成的光脉冲宽度对应阿秒(1 0-1 8 s,a s)量级,即阿秒脉冲。根据驱动激光场的对称性,每半个光周期会辐射一次高次谐波,即每半个光周期会辐射出一个阿秒脉冲。在多光周期驱动激光场产生高次谐波的过程中,最终在时域上得到的是一串阿秒脉冲,即阿秒脉冲串。根据驱动激光场的周期性,在阿秒脉冲串中相邻脉冲之间的时间间隔为驱动激光场的半个光周期。阿秒脉冲由于其脉宽远小于电子元件的最短响应时间,且波段位于极紫外或软X 射线波段,在非线性介质中具有强烈吸收,所以无法用电学方法或传统用于飞秒激光脉冲的测量方法直接测量。目前,阿秒脉冲脉宽测量主要是利用阿秒脉冲与气体介质相互作用激发的电子特性反演阿秒脉冲的脉宽。AGO S T I N I及合作者提出了双光子干涉的阿 秒 拍 频 重 构(R e c o n s t r u c t i o n o f a t t o s e c o n d b e a t i n g b y i n t e r f e r e n c e o f t w o-p h o t o n t r a n s i t i o n s,R A B I T T)测量方法2。这种测量方法的核心是采用处于极紫外或软X 射线波段的高次谐波和处于红外波段的驱动激光共同电离原子。如图4所示,由于相邻阶次的2个高次谐波和驱动激光各通过两个量子路径共实现4种跃迁方式,所获得的电子能谱具有边带。通过控制高次谐波和驱动激光的延时,可以出现不同强度的边带。在驱动激光脉冲长脉冲近似条件下,边带光电子谱强度的变化频率为驱动激光载波频率的两倍,且不同边带周期性变化与相邻阶次的两个高次谐波的相位差有关,因此,可以得到这个相位差,并根据测量的高次谐波光谱通过傅里叶变换反演出阿秒脉冲的时域信息。2 0 0 1年,AGO S T I N I及合作者2利用波长为8 0 0 n m的飞秒驱动激光与A r相互作用产生高次谐波,并利用双光子干涉的阿秒拍频重构测量方法反演阿秒脉冲的脉宽,首次实验测量到了阿秒脉冲串(图5),每个阿秒脉冲仅持续2 5 0 a s,相邻脉冲之间的时间间隔为8 0 0 n m驱动激光光周期(2.6 7 f s)的一半。2 0 2 0年,YANG等1 1基于传统的测量方案进一步提出了可以实现孤立阿秒脉冲测量的全光测量方法,不需要采用多个气体靶,直接在阿秒脉冲产生处通过对高次谐波光谱信息的分析,即可得到阿秒脉冲的时域信息。图4 R A B I T T中光电子量子路径2F i g.4 T h e q u a n t u m p a t h s c o n t r i b u t i n g t o t h e p h o t o e l e c t r o n s i n R A B I T T2图5 阿秒脉冲串的时域分布2F i g.5 T e m p o r a l p r o f i l e o f a t t o s e c o n d p u l s e t r a i n s 2672第3 7卷 第2期信阳师范学院学报(自然科学版)h t t p:/j o u r n a l.x y n u.e d u.c n2 0 2 4年4月2.2 孤立阿秒脉冲相比于阿秒脉冲串,孤立阿秒脉冲在时间分辨的泵浦-探测过程中具有独特的优势。对于孤立阿秒脉冲的产生,理论上需要将驱动激光的脉宽控制在一个光周期以内,这样在时域上只产生一个孤立阿秒脉冲。然而,实验上实现一个光周期甚至更短的驱动激光是非常困难的,可以通过实验上能够获得的少光周期驱动激光场产生频谱成分不同的阿秒脉冲串,然后通过滤波技术,即选取频谱成分最高脉冲的高频部分同样可以获得孤立阿秒脉冲。2 0 0 1年,K R AU S Z及合作者3在实验上将脉冲宽度为4 0 f s的近红外激光脉冲宽度压缩到7 f s左右,然后与N e相互作用,首次获得了孤立阿秒脉冲,并测得孤立阿秒脉冲的宽度为6 5 0 a s。2 0 0 4年,K R AU S Z及合作者进一步利用脉冲宽度仅5 f s的驱动激光,获得了脉冲宽度更短的孤立阿秒脉冲,并测得其脉冲宽度为2 5 0 a s1 2。为了获取更短脉冲宽度的孤立阿秒脉冲,人们提出了一系列选通技术,在高次谐波辐射过程中形成特定的窗口。根据选通原理,可以分为频谱选通、时间选通和空间选通。其中,频谱选通主要是对高次谐波连续谱进行滤波,选取特定频谱范围(一般为高频部分)来获得孤立阿秒脉冲。时间选通主要是对驱动激光的电场进行调制、整形,将产生 阿 秒 脉 冲 的 时 间 窗 口 缩 短,如 振 幅 选 通(Am p l i t u d e g a t i n g)1 3、电 离 选 通(I o n i z a t i o n g a t i n g)1 4、偏振选通(P o l a r i z a t i o n g a t i n g)1 5和双光选通(D o u b l e o p t i c a l g a t i n g)1 6等。图6为产生孤立阿秒脉冲的各种技术。从图6 a)可以看出,振幅选通采用的驱动激光场载波包络相位稳定且精确可控,不同周期内的电场强度不同,只有驱动激光最强的半个周期才可以产生具有较高光子能量(高次谐波截止区)的阿秒脉冲,而驱动激光其他周期内的电场强度较低,产生阿秒脉冲的光子能量也较低。这种情况下,在高次谐波光谱的截止区产生一段连续谱,通过金属膜或带通反射镜将这段连续谱选出,就可以获得孤立阿秒脉冲。电离选通是在驱动激光场上升沿与气体介质相互作用的数个光周期内,使气体介质剧烈电离产生高次谐波,此时气体内的电离程度严重影响驱动激光和高次谐波的相位匹配,如图6 b)所示,后续光周期内的高次谐波辐射受到强烈抑制,从而只能在驱动激光场上升沿产生孤立阿秒脉冲。如图6 c)所示,偏振选通和双光选通是两种相似的选通技术,均利用驱动激光场的偏振特性实现孤立阿秒脉冲分离。由于高次谐波产生源于隧穿电离电子发生再散射后,与母核复合过程,所以原子在线性偏振驱动激光场中的一维往复运动能有效产生高次谐波。而当驱动激光为椭圆偏振或圆偏振时,高次谐波转换效率迅速下降。在实验上,通过石英片和四分之一波片将线偏光变为两个旋转方向相反的圆偏光,左旋圆偏振光和具有相对延时的右旋圆偏振光叠加合成一个椭偏率时间依赖的激光脉冲,在合成的激光脉冲包络内偏振从圆偏振变为线性偏振再变回圆偏振,并且具有较低椭偏率的时间窗口很小,可以认为只有在该时间窗口内,被电离的电子可以返回初始位置和母核复合并产生高次谐波,也就意味着在该时间窗口内产生了孤立阿秒脉冲。图6 产生孤立阿秒脉冲的技术1 3-2 2F i g.6 T e c h n i q u e s f o r g e n e r a t i n g i s o l a t e d a t t o s e c o n d p u l s e s1 3-2 2双光选通是在偏振选通的基础上,添加一束倍频驱动激光场,将时间窗口拉大,进一步降低对驱动激光脉宽的限制。空间选通主要是控制每个光周期内产生的阿772翟春洋,刘一凡,吴银梦,等.阿秒物理 2 0 2 3年诺贝尔物理学奖解读秒脉冲,使其传播方向不同,从而在空间上获得孤立 阿 秒 脉 冲,常 见 的 方 法 主 要 是 阿 秒 灯 塔(A t t o s e c o n d l i g h t h o u s e)技术1 7。如图6 d)所示,由于阿秒脉冲的辐射方向垂直于其产生时的驱动激光场瞬时波前,通过驱动激光场波前的旋转,可以将不同光周期内产生的阿秒脉冲在空间角度上分开,再通过在远场的空间滤波获得孤立阿秒脉冲。随着激光技术的发展和选通技术的不断优化,人们 在实验上获 得的孤立阿 秒脉宽逐渐 减小。2 0 0 8年突破了百阿秒,获得了8 0 a s脉宽的孤立阿秒脉冲1 8。2 0 1 7年突破了5 0 a s,获得了4 3 a s脉宽的孤立阿秒脉冲1 9,这也是目前孤立阿秒脉冲最短脉宽的世界纪录。除了脉宽不断压缩之外,科学家们也在逐渐获得更高通量和更高光子能量的孤立阿秒脉冲,实现了每个脉冲产生百万数量级光子 通 量 的 阿 秒 脉 冲 和 水 窗 波 段 阿 秒 脉 冲 的 输出2 0-2 1。3 高次谐波和阿秒脉冲在强场超快光学领域的应用3.1 探测分子结构信息根据德布罗意(d e B r o g l i e)波长公式,得到:=2 p,(2)式中:为电子的德布罗意波长,为约化普朗克常量,p为电子动量。可知,具有1 5 0 e V动能的电子其德布罗意波长即可达到1(1 0-1 0 m),携带如此能量的电子很容易出现在高次谐波产生过程中。因此,利用高次谐波产生技术可以实现超高空间分辨率。例如,近年来气体高次谐波被应用在相干衍射显微成像研究以及软X射线全息成像研究中,均获得了几十纳米的空间分辨率2 3。同时根据半经典“三步模型”9,在高次谐波产生过程中,将电子从母核电离视为泵浦过程,将电子回复并与母核碰撞视为探测过程,高次谐波产生就成为一种特殊的“泵浦-探测技术”,也可称为“自探测”过程,即分子被其自身的电子所探测2 4。激光与分子相互作用时,隧穿电离容易选择处在化学反应中占据重要 角 色 的 分 子 最 高 占 据 轨 道(T h e h i g h e s t o c c u p i e d m o l e c u l a r o r b i t a l,HOMO)。因此,在提取分子内部的微观结构信息时,高次谐波是一个有望捕获分子中运动的电子乃至追踪化学反应中电子动力学过程的绝佳技术手段。2 0 0 4年,I T AT AN I及合作者2 5开创性地将断层扫描(C o m p u t e d t o m o g r a p h y)技术移植到强场超快光学领域。通过测量分子排列在不同空间角度下辐射的高次谐波,并在数学上近似地认为,高次谐波辐射是基于基态波函数与一组处于连续态的平面波的重叠积分。类比于断层扫描技术,从高次谐波谱中得到分子基态轨道波函数在傅里叶空间的变换关系,进而提取出坐标空间的分子轨道波函数。在忽略了母核库仑势对电离电子影响的前提下,I T AT AN I及合作者2 5基于高次谐波成功地重构出了N2分子的最高占据轨道,这种方法被称 为 分 子 轨 道 层 析 成 像(M o l e c u l a r o r b i t a l t o m o g r a p h y)。实验 重 构 结 果 如 图7 a)所 示,图7 b)为实验相同条件下,理论上的N2分子轨道。比较图7 a)和7 b)可知,利用高次谐波可以成功重构出分子轨道信息。分子轨道成像不仅可以帮助人们直观地认识分子内部结构,并且可以帮助人们深刻地理解分子动力学过程以及化学反应过程。在过去的几十年中,分子轨道层析成像技术取得了巨大的进步,并且获得了很好的空间分辨率。从最初的对称分子轨道成像,到实现不对称分子轨道成像,并逐步发展了分子轨道衍射成像以及对分子内层占据轨道成像等技术。此外,基于高次谐波的分子轨道层析成像技术还有望获取实时演化的分子轨道。注:a)通过实验数据重构的分子轨道;b)利用从头计算得到的分子轨道。图7 氮气分子的分子轨道2 5F i g.7 M o l e c u l a r o r b i t a l o f N22 53.2 探测电子动力学过程根据量子力学和测不准原理,可以得到:Eth,(3)式中:E为电子能量的不确定度,t为电子运动周期的不确定度,h为普朗克常数量。当电子能量872第3 7卷 第2期信阳师范学院学报(自然科学版)h t t p:/j o u r n a l.x y n u.e d u.c n2 0 2 4年4月达到4.1 5 e V以上时,电子运动周期即达到阿秒时间尺度。同时根据半经典“三步模型”9,能够与母核发生碰撞并辐射高次谐波的电子是在驱动激光场一个光周期的十分之一时间段内发生电离的。对于中心波长为8 0 0 n m的驱动激光场而言,产生高次谐波的电子电离时刻集中在2 0 03 0 0 a s时间段内。因此,将高次谐波应用在显微成像研究领域,可以获得阿秒尺度的时间分辨率。除此之外,高次谐波阶次与电子电离时刻(或回复时刻)存在一一对应关系,也即产生不同阶次高次谐波的电子飞行时间不同。考虑不同阶次高次谐波的回复时刻,可以获得1 0 0 a s量级的时间分辨率;进一步地,若考虑不同阶次高次谐波的电离时刻,则可以获得1 0 a s量级的时间分辨率2 6。高次谐波和阿秒脉冲的出现,为深层次研究基本物理问题提供了可能。2 0 1 0年,K R AU S Z及合作者2 7利用阿秒脉冲的阿秒条纹方法对 N e 原子2 s和2 p轨道光电离相对时间延迟进行了测量。实验发现2 s电子波包先于2 p电子形成,两个轨道光电离相对延迟约为2 1 a s。2 0 2 2年,HE及合作者2 8将机器学习与高次谐波自探测方法相结合,直接从实验测量的平均信号中准确提取了单分子高次谐波偶极辐射信息。同时结合双色光驱动方案,对分子内部多轨道动力学进行分解,进而在单分子层面拍摄了分子内部电荷迁移过程,如图8所示,拍摄时间分辨率达到5 0 a s。这些基本物理问题的研究不仅能够直接推动阿秒技术的进步,而且极大地加深了人们对量子力学基本概念的理解。阿秒脉冲除了测量电子超快过程和电荷迁移过程之 外,还可以用 于生物医学 方面的精 密检测2 9-3 1。例如,电场分子指纹技术可以检测生物液体分子组成的变化,这是一种新的体外诊断分析技术,可以在血液样本中检测疾病的特征分子痕迹,并成功检测出了生物体内癌症等恶性病变。图8 N+2中与排列角相关的阿秒电荷迁移2 8F i g.8 A l i g n m e n t-a n g l e-d e p e n d e n t a t t o s e c o n d c h a r g e m i g r a t i o n i n N+22 84 展望2 0 2 3年诺贝尔物理学奖获得者的工作开启了阿秒物理时代,为人们打开了以往难以想象的窗户,探索先前无法观察到的微观现象。阿秒脉冲的产生与应用,使人们能够以阿秒时间分辨的精度测量和揭示物质内部的电子动力学过程,使人们能够测量电子从原子中被拉开所需的时间,并揭示电子与原子核结合的紧密程度。利用阿秒脉冲,人们还可以重建电子在分子中的分布以及在化学反应中的电荷迁移情况。阿秒脉冲也正在信息科学和生物医学等领域发挥着作用,然而,如何更有效地利用阿秒脉冲来操控信息传递,助推信息科学进一步发展,如何在生命医学领域广泛应用,护航人类生命健康,仍需要科学家们继续探索。此外,目前实验上获得的阿秒脉冲多为线性偏振,如何高效率地产生偏振态可控的阿秒脉冲,丰富其在超快探测过程中的应用,也是科学家们面临和需要解决的问题。总之,在未来的研究和应用中阿秒脉冲必将为人们带来更多激动人心的成果。参考文献:1 F E R R AY M,LHU I L L I E R A,L I X i a o f e n g,e t a l.M u l t i p l e-h a r m o n i c c o n v e r s i o n o f 1 0 6 4 n m r a d i a t i o n i n r a r e g a s e sJ.J o u r n a l o f P h y s i c s B:A t o m i c,M o l e c u l a r a n d O p t i c a l P h y s i c s,1 9 8 8,2 1(3):L 3 1.2 P AU L P M,TOMA E S,B R E G E R P,e t a l.O b s e r v a t i o n o f a t r a i n o f a t t o s e c o n d p u l s e s f r o m h i g h h a r m o n i c g e n e r a t i o nJ.S c i e n c e,2 0 0 1,2 9 2(5 5 2 2):1 6 8 9-1 6 9 2.3 HE N T S CHE L M,K I E N B E R G E R R,S P I E LMANN C,e t a l.A t t o s e c o n d m e t r o l o g yJ.N a t u r e,2 0 0 1,4 1 4(6 8 6 3):5 0 9-5 1 3.4 E I N S T E I N A.Z u r q u a n t e n t h e o r i e d e r s t r a h l u n g(o n t h e q u a n t u m t h e o r y o f r a d i a t i o n)J.P h y s i k a Z e i t s c h r i f t,1 9 1 7,1 8:1 2 1-1 2 8.5 MA I MAN T H.S t i m u l a t e d o p t i c a l r a d i a t i o n i n r u b yJ.N a t u r e,1 9 6 0,1 8 7(4 7 3 6):4 9 3-4 9 4.6 MC C L UN G F J,HE L LWA R TH R W.G i a n t o p t i c a l p u l s a t i o n s f r o m r u b yJ.A p p l i e d P h y s i c s,1 9 6 2,1(S 1):1 0 3-1 0 5.972翟春洋,刘一凡,吴银梦,等.阿秒物理 2 0 2 3年诺贝尔物理学奖解读7 D E UT S CH T.M o d e-l o c k i n g e f f e c t s i n a n i n t e r n a l l y m o d u l a t e d r u b y l a s e rJ.A p p l i e d P h y s i c s L e t t e r s,1 9 6 5,7(4):8 0-8 2.8 S T R I C K L AN D D,MOUR OU G.C o m p r e s s i o n o f a m p l i f i e d c h i r p e d o p t i c a l p u l s e sJ.O p t i c s C o mm u n i c a t i o n s,1 9 8 5,5 5(6):4 4 7-4 4 9.9 C O R KUM P B.P l a s m a p e r s p e c t i v e o n s t r o n g f i e l d m u l t i p h o t o n i o n i z a t i o nJ.P h y s i c a l R e v i e w L e t t e r s,1 9 9 3,7 1(1 3):1 9 9 4-1 9 9 7.1 0 P F E I F E R T,S P I E LMANN C,G E R B E R G.F e m t o s e c o n d X-r a y s c i e n c eJ.R e p o r t s o n P r o g r e s s i n P h y s i c s,2 0 0 6,6 9(2):4 4 3.1 1 YANG Z h e n,C AO W e i,CHE N X i,e t a l.A l l-o p t i c a l f r e q u e n c y-r e s o l v e d o p t i c a l g a t i n g f o r i s o l a t e d a t t o s e c o n d p u l s e r e c o n s t r u c t i o n J.O p t i c s L e t t e r s,2 0 2 0,4 5(2):5 6 7.1 2 K I E N B E R G E R R,G OU L I E LMAK I S E,U I B E R A C K E R M,e t a l.A t o m i c t r a n s i e n t r e c o r d e rJ.N a t u r e,2 0 0 4,4 2 7(6 9 7 7):8 1 7-8 2 1.1 3 N I S O L I M,S AN S ON E G,S T AG I R A S,e t a l.E f f e c t s o f c a r r i e r-e n v e l o p e p h a s e d i f f e r e n c e s o f f e w-o p t i c a l-c y c l e l i g h t p u l s e s i n s i n g l e-s h o t h i g h-o r d e r-h a r m o n i c s p e c t r aJ.P h y s i c a l R e v i e w L e t t e r s,2 0 0 3,9 1(2 1):2 1 3 9 0 5.1 4 CH I AV E R I N I J,L E I B F R I E D D,S CHA E T Z T,e t a l.R e a l i z a t i o n o f q u a n t u m e r r o r c o r r e c t i o nJ.N a t u r e,2 0 0 4,4 3 2(7 0 1 7):6 0 2-6 0 5.1 5 S AN S ON E G,B E N E D E T T I E,C A L E G A R I F,e t a l.I s o l a t e d s i n g l e-c y c l e a t t o s e c o n d p u l s e sJ.S c i e n c e,2 0 0 6,3 1 4(5 7 9 8):4 4 3-4 4 6.1 6 F E N G X i m a o,G I L B E R T S ON S,MA S H I KO H,e t a l.G e n e r a t i o n o f i s o