阿秒激光技术发展史，好奇心敲开电子世界的大门

 

酷玩实验室

2023-12-04 14:22:52发布于北京科技领域创作者

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从星空、到风景、街道、再到飞奔的猎豹和子弹击中的瞬间，要捕捉到他们的运动，我们需要越来越高的快门速度，从数十秒，到1秒内，再到1/1000秒、1/8000秒。

人类好像还挺能的，无论多快都能拍下来。但如果进入微观世界：分子的旋转、化学键的断裂以及接近光速的电子运动，我们所知的快门就不够用了。

因为微观尺度下的运动速度极快，对快门的要求是飞秒、阿秒级，人类目前最高的快门速度再多12到15个0就差不多了。

一阿秒等于10^-18秒，一秒内包含多少个阿秒，宇宙大爆炸到如今的138亿年里就有多少秒？有感觉了吧！

这种尺度，目前快门的电动控制系统显然是永远也无法达到的。要拍下这样的运动，我们只能靠另一种路子：阿秒脉冲激光。

目前人类最快的脉冲激光——阿秒脉冲激光，今年诺贝尔物理学奖就颁给了研究它的三人组：法国的阿哥（Pierre Agostini）、德国的氪佬（Ferenc Krausz)和瑞典的法国人安妮（Anne L'Huillier）。

诺奖委员会主席伊娃·奥尔森对三人研究的评价是“打开了电子世界的大门”。

这听起来是什么含金量啊！电子是一切物质、化学反应的基础，这我在妈妈肚子里就听她念叨过了。

J.J.汤普森发现电子已经126年了，今天才“打开大门”又是什么意思呢？

我用一个简单例子来说明：旋转中的风扇是顺时针还是逆时针转？

肉眼无法判断。你拿手机去拍，大概率是无法分辨的残影。而如果拿高速摄像机去拍，就能拍到清晰的图像，连续拍两张，就能判断出风扇的旋转方向。

阿秒脉冲前，人类拍“电子”就是残影，它有许多性质我们无法确定。阿秒脉冲后，人类就有机会观测到那些性质了，这就是所谓打开了大门。

当然，阿秒脉冲的能做的不止于此。据氪佬说，这种激光在能帮助人们在出现症状前就发现人体的病变，包括癌症、冠心病、糖尿病等等一众大病。

氪佬正带领团队开发一种名为“分子指纹”的技术。所谓分子指纹指的是，当我们用红外光照射分子时，分子中的化学键会发生振动吸收。不同的分子结构和化学键会产生不同的红外光谱。而阿秒脉冲激光，能以极高的精度分析它们，更精确地了解分子结构变化。

人患病后，体液会发生显著变化。比如患癌早期血液中可能会有白细胞增多、中性粒细胞异常、出现癌细胞等等现象。

现在我们去医院验血，查不出除了白血病外的癌症。试想一下，以后可能没事儿去验个血，发现有一丢丢的婴儿期的癌症，然后去医院开点药，吃完癌症就被消灭了。这样的未来，美好的不敢想。

那么承载着这样未来的阿秒激光到底是什么，它又是怎么被人类造出来的呢？

我看了几乎所有相关科普视频和文字，感觉还是不懂，于是干脆自己试试。

废话不多说，马上开始。但大家得做好心理准备。要理解这种高精尖技术，我们得一步一步来。

01

从激光到阿秒激光

首先，激光是啥？

外观上，激光就是颜色纯净、高亮度、定向的高能光束。这其实是因为里面所有光子都有相同的方向、频率，偏振方向，就像合唱一般统一。

这样的光在自然界并不存在，它是100%人造物。要造出激光，必须利用一个物理现象：受激辐射。

1916年，我们的老熟人爱因斯坦在论文《关于辐射的量子理论》提出了这一概念：处于高能级的原子在受到光子的刺激后会跃迁到低能级，并释放出两个光子。

特别的是，这两个光子的频率、相位、偏振态以及传播方向与外来光子一模一样，如同克隆出来的一样。然后你只需要两面镜子，外来光子就会在来回传播中1变2，2变4，4变8，实现指数级增长。

但是要注意，这一切的前提是，受刺激的原子必须处于高能级，你可以理解为克隆机器必须充满电。

简单地说，产生激光必要条件有三：一堆高能级原子、一个有两面镜子的谐振腔以及光子。

激光自被发明以来，就有两条发展路线：连续激光和脉冲激光。连续与脉冲的区别好比水枪和泡泡机（不考虑速度）。

拍高速运动的靠的是后者，为什么不用连续激光，我们一会解释。

而脉冲激光要拍清楚有个重要的指标，叫做脉宽，脉冲宽度，指的是在维持一定功率的脉冲持续时间。

小学老师告诉我们，光是粒子也是波。那么脉宽在波形图中就是这样：

脉宽越窄的激光，等效的快门速度越快。

脉冲激光拍摄的基础原理是光电效应，即电子吸收了光子的能量后逃逸原子核。我们通过分析逃逸电子的状态，从而得到拍摄物在脉宽时间内的状态变化。

因此脉宽压缩得越窄，等效快门速度越快，我们最终成像的“时间分辨率”就越高。

还记得之前提到不用连续用脉冲么？原因就是，在一段波中我们能得到这么一个脉宽达标的就不容易了，再要求连续来就实在强人锁男了。

理解了这点后，最重要最核心的问题来了：怎么压缩脉冲激光的脉冲宽度？

科学家们想到的第一种方法，就是给谐振腔做一个开关，开关速度越快，激光的脉宽就越短。

但直接加一个开关是不够的。压缩脉宽必须是在一个前提下才有意义：维持一定功率。

功率从哪儿来呢？激光的能量本质上是高能级的原子跃迁到低能级释放的，所以要提高功率，高能级原子一定要多。

我们前面讲过，激光在释放前有个充能过程，而充能实际上就是使低能级原子跃迁到高能级，当高能级原子数超过一定阈值，就会发生激光振荡。一振荡就会造成能量损耗。

人们把存储与损耗的比值叫做质量因子Q。

Q是可以调节的。当Q值低时，谐振腔内以储存能量为主，Q值高时，谐振腔内就以激光振荡，损耗能量为主。

所以科学家们先把Q值调低，等到充能足够多了，再立刻把Q值调高，释放能量。只要把调Q值这一过程做的够快，就能同时保证激光的短脉宽和高功率。这种方法就叫做调Q法。

这其实就像先把蓄水池的水位蓄高，然后闸门咔咔开关。说实话，调q还是挺符合直觉的，感觉我上我也行。

1961年，第一台激光器出现的第二年，人类就用调Q技术造出了几十纳秒脉宽的红宝石激光器，不可谓不顺利。

但人类很快发现了问题：调Q技术的未来已被锁死，它注定无法突破纳秒。

实现纳秒级脉宽，则激光器的谐振腔长度最短为15厘米，这还算现实。但脉宽要突破皮秒级，谐振腔长度就必须小于0.15毫米，这在工艺上的难度可想而知。

但调Q技术的尽头并未扼住激光命运的咽喉。毕竟你的眼科医生手里拿着的可不是纳秒激光仪。

那么人类是如何突破这个瓶颈的呢？

科学家们重新审视了产生激光的三个必要条件。如果说调Q技术是将前两个条件做到了头，那么要突破就必须着眼于第三个条件：光子，或者说光波。

在这样的思路下，锁模技术诞生了。

锁模里的“模”，实际上是激光器中的电磁场分布，是用来描述激光频率的。通常情况下，一台自由运转的激光器中往往会有多个不同频率的模同时存在，比如：

而这些模由于波的干涉，合起来就是这样：

图源知乎@tubian 专栏，侵删

显然，这并不是我们想要的。但试想一下，如果我们能通过一些操作，将不同的模“平移”，比如我们将时间50处，5个模都平移为波峰，就得到了这样的结果：

图源知乎@tubian 专栏，侵删

此时激光的输出为：

图源知乎@tubian 专栏，侵删

这就是我们想要的脉冲激光。所谓平移，实际上是在调整各个模之间的相位差。大家可能会听上去就那么回事儿，但实际实验中要调整的模远不止5个，难度是相当大的。

锁模技术的出现，使得人类瞬间突破了纳秒。1965年，第一台被动锁模红宝石激光器就输出了皮秒级的脉冲激光。在其后的二十多年里，随着在锁模投入越来越多的技能点，人类顺利突破了皮秒，进入飞秒时代。

终于，分子、原子世界的展现在人类眼前。此前因时间分辨率不足而糊成一片的微观超快运动：如分子的振动和转动、原子运动、质子传递等现象，都被飞秒脉冲激光清晰地捕捉下来。

更有人，利用飞秒脉冲激光操纵了化学键的断裂和形成。这个人就是埃及裔化学家Ahmed Zewail，他的工作开创了一项新的研究领域——飞秒化学，而他也因此获得1999年诺贝尔化学奖。

但没高兴多久，同样的问题再一次摆在了人类面前：锁模技术注定无法突破飞秒。

这是因为，通过锁模来缩短脉宽的方法，做到最极致就是一个光周期内。我们来算一下，红光的波长约为700nm，我们用波长除以光速得到，完成一次周期需要2.33飞秒。

有朋友可能会说，用波长更短的光啊。

很可惜这行不通。激光的产生需要增益介质，增益介质越好，Q值就越高。常用的增益介质有红宝石、钛蓝宝石等，它们产生不了波长更短的光，所以激光的基本只有可见光。

这样，产生激光的三个条件都做到头了，看上去已经没有任何想象空间了。到底还能做什么呢？科学家们找不到答案，而飞秒在80年代也被认为是人类能达到的最小时间尺度了。

但是。新的风暴已经出现，怎么能够停止向前？

人类已经摸到了电子世界的门把手，门内电子的一举一动都散发着诺奖的甘甜。此时放手，大概会气得祖师爷从地里爬出来。

不过安妮是懂得让先人安息的，她找到了打开大门的钥匙。

1987年，安妮在做气体电离实验，她将波长为1064nm的激光射入几种稀有气体（氩气、氙气、氪气），气体中出现了与以往实验不同的颜色。

光的颜色是由频率决定的。颜色奇怪，那光大概率也有问题。于是，安妮检查了这些光的频率，她发现了一个惊人的事实：这些光的频率都是入射激光的整数倍，最高的一支频率甚至是入射光的33倍！

物理上，科学家们把频率为基础波频整数倍的波称为谐波。而这些奇怪颜色的光，是比谐波更高的存在，它们叫高次谐波。

看到这儿，学过音乐的朋友可能会觉得很熟悉，这不就是泛音嘛！

恭喜，你跟诺奖委员会的瑞典皇家科学院秘书长想到一块儿去了，他在发布会上就这样解释的。

给没认真上音乐课的同学们科普一下。乐器或人声发出的音，是由基音和泛音组成。基音是频率最低的那个，其余的音都是泛音。比如你弹一个C4，那基音就是C4。泛音你没法分辨，但却与基音一同构成了这个音的音色。

我们再说回光。要是对着稀有气体射入皮秒级脉冲激光会出现飞秒级，射入飞秒级也许会出现阿秒级，射入阿秒级也许出现仄秒级……好家伙，我们搁那吭哧吭哧研发了二三十年，把那三个条件都榨干了，这里竟然有个如此便利的升级药水。

不过在喝下这瓶药水前，安妮更好奇的是，这种现象背后的原因究竟是什么？

安妮和她的小伙伴们经过几年的苦心研究，终于在1991年，从理论上推导出了高次谐波的基本形态。

他们发现，产生的谐波包括了三类：低频部分强度快速衰减、中频部分强度稳定、高频部分强度继续衰减。

在他们的基础上，科克姆（Paul Corkum）等人进一步提出了更为全面的解释理论：三步模型。

他们认为高次谐波是这样产生的：

一、当高能激光射向稀有气体，气体原子的库伦势会在激光的电磁作用下变“低”。库伦势就像一面高墙，堵在电子面前不让它走。而当其变低后，电子就有机会穿出去。

二、电子逃逸后被光场加速。但快速振荡的光场反向后，原先的变低的库伦势突然支棱起来，电子穿不过去，只能回到原点。

三、回来的电子能量远大于当初，它就像长大后却被父母关在卧室的你，多余的能量只能付诸于高声问候。而电子的问候方式，就是高次谐波。

阿哥设计了一个复杂的实验：一束激光会经过分束、滤镜、延迟、射入稀有气体，最后所有的波合在一起。别看图里阿秒脉冲好像最宽，那是因为其他的波脉宽更窄。

其实，认真听讲的观众此时大概也反应过来了，这就是81年的茅台瓶装了18年的五粮液，跟之前锁模是一件事儿，也就是通过调整谐波之间的相位差得到脉宽更短的阿秒脉冲。

只不过，因为工艺要求极高，直到2001年阿哥才提取出250阿秒脉宽的阿秒脉冲。

阿哥提取的是连续的阿秒脉冲，另一位氪佬则分离出了更为纯粹的孤立阿秒脉冲，脉宽650阿秒。

要做到孤立就更难了，大家看看氪佬的实验室有多少仪器就知道了。

至此，40多年的发展里，人类达到了调Q的尽头，穷尽了锁模的可能，在三个条件都走到无路可走后峰回路转，柳暗花明，终于如愿进入了阿秒时代。

如果说安妮将不可能变成了可能，那阿哥与氪佬就是将可能变为了现实。而这一切，都要回到那团气体中的光。安妮没有让它溜走，一如牛顿捡起了掉落的苹果。其实，早在1977年，加拿大的几个物理学家就在激光射入等离子体的实验中就已经观察到了高次谐波现象。

但他们并未深究。结果，他们是“加拿大的物理学家”，而Anne L'Huillier的名字却高悬于诺贝尔奖的宫殿穹顶，受到世人，以及千秋万代的敬仰，在人类物理史中留下属于自己的印记。平庸与伟大，有时候差的仅仅是一颗好奇心而已。

02

阿秒脉冲的应用

我们再来说说，阿秒脉冲激光为人类带来了什么。

首先，正如飞秒脉冲激光催生了飞秒化学，阿秒脉冲的发展也带来了一个新的研究领域——阿秒物理。

阿秒物理的研究对象，即原子内的电子运动。比如电子绕氢原子核一周大约要152阿秒，那它的运动自然就需要阿秒尺度的“相机”才能拍到。

不过大家可能以为用阿秒脉冲激光拍电子，能像电子显微镜拍分子一样。其实不然。因为电子太小了，我们根本看不见它，它也并非以经典意义上的方式绕核运动，而是以概率云的方式同时存在于各个地方。我们能做的是测量电子的状态。

当人们用飞秒激光去测量，测量的两次之间电子已不知道“跑了多少圈”，而用阿秒激光，我们就能知道电子在“一圈”内的状态变化。

如果你真的想知道电子的“照片”究竟长什么样的话。这是今年在nature上发表的一篇相关论文，这是仪器拍下的：

而对它进行分析后，视觉化效果是这样的：

第一张图里的黑白和第二张图里的红蓝、起伏，都表示了物质中电子在不同时刻的状态。这就是现在阿秒物理干的事儿，通过这种方式，科学家们希望能够加深认识一揽子可想而不可观的物理现象：电子隧传、载流子运动、光电效应等等。氪佬团队用阿秒脉冲激光测得光电效应中，电子吸收光子的能量后逃逸的时间为21阿秒；

阿秒脉冲激光的应用领域，除了我们开头提到的分子指纹外，还有一个重要的应用场景，计算机。

回想一下前面提到的，高次谐波的产生过程。脉冲激光的光场使得电子摆脱原子核束缚，但瞬间又能将电子拉回。这一过程电子来回运动，不就相当于一次电流开关么。

现在最好的硅基晶体管，开关频率可达10^9Hz。而晶体管的开关效率直接决定了芯片的性能。10^9Hz相当于一次开关耗时1/(10^9)s，也就是1ns，要是我们用激光呢？

根据三人组之一氪佬估计，开关速度能提升10万倍左右。当然事实上，这事儿还出于八字儿刚落笔的阶段，就算出自诺奖得主本人之口，那也属于是幻想时间的产物了。

尾声

现实来讲，阿秒脉冲激光目前最大的用处，就是用在科研里，尤其用在基础科学的研究。在其他领域的应用，要么因为工艺水平不够无法落地，要么因为人类暂时还用不上精度如此之高的技术。换言之就是，这技术跑太快了，其他暂时都还跟不上。

安妮本人在2022年的采访中也说过，自己不清楚阿秒激光究竟能带来什么。但她的研究本就不是为了解决什么问题，而是与60多年前发明第一台激光器的西奥多•梅曼一样，是“a solution searching for a problem”。

这种科研不现实？请看看这些多出来的问题给我们带来了什么吧：光刻机、光盘、激光核聚变、光剑。

我突然想起，在纪录片中，主持人问氪佬他的激光有解决什么问题的时候，氪佬说：“the number of new questions and new effects are not getting smaller.”问题越来越多，他的脸上的笑容却满溢出了屏幕，让屏幕前的我感受到了他对研究的热爱。他说，自己的感受难以用语言形容，如果要说的话，大概是childish joy and pleasure。

而这，与安妮所说的好奇心，大概是同一种心情吧。如果不是，那也一定同样的纯粹。所谓科研，不就应该如此吗？