阿秒激光技術發展史，好奇心敲開電子世界的大門

 

酷玩實驗室

2023-12-04 14:22:52發布於北京科技領域創作者

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從星空、到風景、街道、再到飛奔的獵豹和子彈擊中的瞬間，要捕捉到他們的運動，我們需要越來越高的快門速度，從數十秒，到1秒內，再到1/1000秒、1/8000秒。

人類好像還挺能的，無論多快都能拍下來。但如果進入微觀世界：分子的旋轉、化學鍵的斷裂以及接近光速的電子運動，我們所知的快門就不夠用了。

因為微觀尺度下的運動速度極快，對快門的要求是飛秒、阿秒級，人類目前最高的快門速度再多12到15個0就差不多了。

一阿秒等於10^-18秒，一秒內包含多少個阿秒，宇宙大爆炸到如今的138億年裏就有多少秒？有感覺了吧！

這種尺度，目前快門的電動控製係統顯然是永遠也無法達到的。要拍下這樣的運動，我們隻能靠另一種路子：阿秒脈衝激光。

目前人類最快的脈衝激光——阿秒脈衝激光，今年諾貝爾物理學獎就頒給了研究它的三人組：法國的阿哥（Pierre Agostini）、德國的氪佬（Ferenc Krausz)和瑞典的法國人安妮（Anne L'Huillier）。

諾獎委員會主席伊娃·奧爾森對三人研究的評價是“打開了電子世界的大門”。

這聽起來是什麽含金量啊！電子是一切物質、化學反應的基礎，這我在媽媽肚子裏就聽她念叨過了。

J.J.湯普森發現電子已經126年了，今天才“打開大門”又是什麽意思呢？

我用一個簡單例子來說明：旋轉中的風扇是順時針還是逆時針轉？

肉眼無法判斷。你拿手機去拍，大概率是無法分辨的殘影。而如果拿高速攝像機去拍，就能拍到清晰的圖像，連續拍兩張，就能判斷出風扇的旋轉方向。

阿秒脈衝前，人類拍“電子”就是殘影，它有許多性質我們無法確定。阿秒脈衝後，人類就有機會觀測到那些性質了，這就是所謂打開了大門。

當然，阿秒脈衝的能做的不止於此。據氪佬說，這種激光在能幫助人們在出現症狀前就發現人體的病變，包括癌症、冠心病、糖尿病等等一眾大病。

氪佬正帶領團隊開發一種名為“分子指紋”的技術。所謂分子指紋指的是，當我們用紅外光照射分子時，分子中的化學鍵會發生振動吸收。不同的分子結構和化學鍵會產生不同的紅外光譜。而阿秒脈衝激光，能以極高的精度分析它們，更精確地了解分子結構變化。

人患病後，體液會發生顯著變化。比如患癌早期血液中可能會有白細胞增多、中性粒細胞異常、出現癌細胞等等現象。

現在我們去醫院驗血，查不出除了白血病外的癌症。試想一下，以後可能沒事兒去驗個血，發現有一丟丟的嬰兒期的癌症，然後去醫院開點藥，吃完癌症就被消滅了。這樣的未來，美好的不敢想。

那麽承載著這樣未來的阿秒激光到底是什麽，它又是怎麽被人類造出來的呢？

我看了幾乎所有相關科普視頻和文字，感覺還是不懂，於是幹脆自己試試。

廢話不多說，馬上開始。但大家得做好心理準備。要理解這種高精尖技術，我們得一步一步來。

01

從激光到阿秒激光

首先，激光是啥？

外觀上，激光就是顏色純淨、高亮度、定向的高能光束。這其實是因為裏麵所有光子都有相同的方向、頻率，偏振方向，就像合唱一般統一。

這樣的光在自然界並不存在，它是100%人造物。要造出激光，必須利用一個物理現象：受激輻射。

1916年，我們的老熟人愛因斯坦在論文《關於輻射的量子理論》提出了這一概念：處於高能級的原子在受到光子的刺激後會躍遷到低能級，並釋放出兩個光子。

特別的是，這兩個光子的頻率、相位、偏振態以及傳播方向與外來光子一模一樣，如同克隆出來的一樣。然後你隻需要兩麵鏡子，外來光子就會在來回傳播中1變2，2變4，4變8，實現指數級增長。

但是要注意，這一切的前提是，受刺激的原子必須處於高能級，你可以理解為克隆機器必須充滿電。

簡單地說，產生激光必要條件有三：一堆高能級原子、一個有兩麵鏡子的諧振腔以及光子。

激光自被發明以來，就有兩條發展路線：連續激光和脈衝激光。連續與脈衝的區別好比水槍和泡泡機（不考慮速度）。

拍高速運動的靠的是後者，為什麽不用連續激光，我們一會解釋。

而脈衝激光要拍清楚有個重要的指標，叫做脈寬，脈衝寬度，指的是在維持一定功率的脈衝持續時間。

小學老師告訴我們，光是粒子也是波。那麽脈寬在波形圖中就是這樣：

脈寬越窄的激光，等效的快門速度越快。

脈衝激光拍攝的基礎原理是光電效應，即電子吸收了光子的能量後逃逸原子核。我們通過分析逃逸電子的狀態，從而得到拍攝物在脈寬時間內的狀態變化。

因此脈寬壓縮得越窄，等效快門速度越快，我們最終成像的“時間分辨率”就越高。

還記得之前提到不用連續用脈衝麽？原因就是，在一段波中我們能得到這麽一個脈寬達標的就不容易了，再要求連續來就實在強人鎖男了。

理解了這點後，最重要最核心的問題來了：怎麽壓縮脈衝激光的脈衝寬度？

科學家們想到的第一種方法，就是給諧振腔做一個開關，開關速度越快，激光的脈寬就越短。

但直接加一個開關是不夠的。壓縮脈寬必須是在一個前提下才有意義：維持一定功率。

功率從哪兒來呢？激光的能量本質上是高能級的原子躍遷到低能級釋放的，所以要提高功率，高能級原子一定要多。

我們前麵講過，激光在釋放前有個充能過程，而充能實際上就是使低能級原子躍遷到高能級，當高能級原子數超過一定閾值，就會發生激光振蕩。一振蕩就會造成能量損耗。

人們把存儲與損耗的比值叫做質量因子Q。

Q是可以調節的。當Q值低時，諧振腔內以儲存能量為主，Q值高時，諧振腔內就以激光振蕩，損耗能量為主。

所以科學家們先把Q值調低，等到充能足夠多了，再立刻把Q值調高，釋放能量。隻要把調Q值這一過程做的夠快，就能同時保證激光的短脈寬和高功率。這種方法就叫做調Q法。

這其實就像先把蓄水池的水位蓄高，然後閘門哢哢開關。說實話，調q還是挺符合直覺的，感覺我上我也行。

1961年，第一台激光器出現的第二年，人類就用調Q技術造出了幾十納秒脈寬的紅寶石激光器，不可謂不順利。

但人類很快發現了問題：調Q技術的未來已被鎖死，它注定無法突破納秒。

實現納秒級脈寬，則激光器的諧振腔長度最短為15厘米，這還算現實。但脈寬要突破皮秒級，諧振腔長度就必須小於0.15毫米，這在工藝上的難度可想而知。

但調Q技術的盡頭並未扼住激光命運的咽喉。畢竟你的眼科醫生手裏拿著的可不是納秒激光儀。

那麽人類是如何突破這個瓶頸的呢？

科學家們重新審視了產生激光的三個必要條件。如果說調Q技術是將前兩個條件做到了頭，那麽要突破就必須著眼於第三個條件：光子，或者說光波。

在這樣的思路下，鎖模技術誕生了。

鎖模裏的“模”，實際上是激光器中的電磁場分布，是用來描述激光頻率的。通常情況下，一台自由運轉的激光器中往往會有多個不同頻率的模同時存在，比如：

而這些模由於波的幹涉，合起來就是這樣：

圖源知乎@tubian 專欄，侵刪

顯然，這並不是我們想要的。但試想一下，如果我們能通過一些操作，將不同的模“平移”，比如我們將時間50處，5個模都平移為波峰，就得到了這樣的結果：

圖源知乎@tubian 專欄，侵刪

此時激光的輸出為：

圖源知乎@tubian 專欄，侵刪

這就是我們想要的脈衝激光。所謂平移，實際上是在調整各個模之間的相位差。大家可能會聽上去就那麽回事兒，但實際實驗中要調整的模遠不止5個，難度是相當大的。

鎖模技術的出現，使得人類瞬間突破了納秒。1965年，第一台被動鎖模紅寶石激光器就輸出了皮秒級的脈衝激光。在其後的二十多年裏，隨著在鎖模投入越來越多的技能點，人類順利突破了皮秒，進入飛秒時代。

終於，分子、原子世界的展現在人類眼前。此前因時間分辨率不足而糊成一片的微觀超快運動：如分子的振動和轉動、原子運動、質子傳遞等現象，都被飛秒脈衝激光清晰地捕捉下來。

更有人，利用飛秒脈衝激光操縱了化學鍵的斷裂和形成。這個人就是埃及裔化學家Ahmed Zewail，他的工作開創了一項新的研究領域——飛秒化學，而他也因此獲得1999年諾貝爾化學獎。

但沒高興多久，同樣的問題再一次擺在了人類麵前：鎖模技術注定無法突破飛秒。

這是因為，通過鎖模來縮短脈寬的方法，做到最極致就是一個光周期內。我們來算一下，紅光的波長約為700nm，我們用波長除以光速得到，完成一次周期需要2.33飛秒。

有朋友可能會說，用波長更短的光啊。

很可惜這行不通。激光的產生需要增益介質，增益介質越好，Q值就越高。常用的增益介質有紅寶石、鈦藍寶石等，它們產生不了波長更短的光，所以激光的基本隻有可見光。

這樣，產生激光的三個條件都做到頭了，看上去已經沒有任何想象空間了。到底還能做什麽呢？科學家們找不到答案，而飛秒在80年代也被認為是人類能達到的最小時間尺度了。

但是。新的風暴已經出現，怎麽能夠停止向前？

人類已經摸到了電子世界的門把手，門內電子的一舉一動都散發著諾獎的甘甜。此時放手，大概會氣得祖師爺從地裏爬出來。

不過安妮是懂得讓先人安息的，她找到了打開大門的鑰匙。

1987年，安妮在做氣體電離實驗，她將波長為1064nm的激光射入幾種稀有氣體（氬氣、氙氣、氪氣），氣體中出現了與以往實驗不同的顏色。

光的顏色是由頻率決定的。顏色奇怪，那光大概率也有問題。於是，安妮檢查了這些光的頻率，她發現了一個驚人的事實：這些光的頻率都是入射激光的整數倍，最高的一支頻率甚至是入射光的33倍！

物理上，科學家們把頻率為基礎波頻整數倍的波稱為諧波。而這些奇怪顏色的光，是比諧波更高的存在，它們叫高次諧波。

看到這兒，學過音樂的朋友可能會覺得很熟悉，這不就是泛音嘛！

恭喜，你跟諾獎委員會的瑞典皇家科學院秘書長想到一塊兒去了，他在發布會上就這樣解釋的。

給沒認真上音樂課的同學們科普一下。樂器或人聲發出的音，是由基音和泛音組成。基音是頻率最低的那個，其餘的音都是泛音。比如你彈一個C4，那基音就是C4。泛音你沒法分辨，但卻與基音一同構成了這個音的音色。

我們再說回光。要是對著稀有氣體射入皮秒級脈衝激光會出現飛秒級，射入飛秒級也許會出現阿秒級，射入阿秒級也許出現仄秒級……好家夥，我們擱那吭哧吭哧研發了二三十年，把那三個條件都榨幹了，這裏竟然有個如此便利的升級藥水。

不過在喝下這瓶藥水前，安妮更好奇的是，這種現象背後的原因究竟是什麽？

安妮和她的小夥伴們經過幾年的苦心研究，終於在1991年，從理論上推導出了高次諧波的基本形態。

他們發現，產生的諧波包括了三類：低頻部分強度快速衰減、中頻部分強度穩定、高頻部分強度繼續衰減。

在他們的基礎上，科克姆（Paul Corkum）等人進一步提出了更為全麵的解釋理論：三步模型。

他們認為高次諧波是這樣產生的：

一、當高能激光射向稀有氣體，氣體原子的庫倫勢會在激光的電磁作用下變“低”。庫倫勢就像一麵高牆，堵在電子麵前不讓它走。而當其變低後，電子就有機會穿出去。

二、電子逃逸後被光場加速。但快速振蕩的光場反向後，原先的變低的庫倫勢突然支棱起來，電子穿不過去，隻能回到原點。

三、回來的電子能量遠大於當初，它就像長大後卻被父母關在臥室的你，多餘的能量隻能付諸於高聲問候。而電子的問候方式，就是高次諧波。

阿哥設計了一個複雜的實驗：一束激光會經過分束、濾鏡、延遲、射入稀有氣體，最後所有的波合在一起。別看圖裏阿秒脈衝好像最寬，那是因為其他的波脈寬更窄。

其實，認真聽講的觀眾此時大概也反應過來了，這就是81年的茅台瓶裝了18年的五糧液，跟之前鎖模是一件事兒，也就是通過調整諧波之間的相位差得到脈寬更短的阿秒脈衝。

隻不過，因為工藝要求極高，直到2001年阿哥才提取出250阿秒脈寬的阿秒脈衝。

阿哥提取的是連續的阿秒脈衝，另一位氪佬則分離出了更為純粹的孤立阿秒脈衝，脈寬650阿秒。

要做到孤立就更難了，大家看看氪佬的實驗室有多少儀器就知道了。

至此，40多年的發展裏，人類達到了調Q的盡頭，窮盡了鎖模的可能，在三個條件都走到無路可走後峰回路轉，柳暗花明，終於如願進入了阿秒時代。

如果說安妮將不可能變成了可能，那阿哥與氪佬就是將可能變為了現實。而這一切，都要回到那團氣體中的光。安妮沒有讓它溜走，一如牛頓撿起了掉落的蘋果。其實，早在1977年，加拿大的幾個物理學家就在激光射入等離子體的實驗中就已經觀察到了高次諧波現象。

但他們並未深究。結果，他們是“加拿大的物理學家”，而Anne L'Huillier的名字卻高懸於諾貝爾獎的宮殿穹頂，受到世人，以及千秋萬代的敬仰，在人類物理史中留下屬於自己的印記。平庸與偉大，有時候差的僅僅是一顆好奇心而已。

02

阿秒脈衝的應用

我們再來說說，阿秒脈衝激光為人類帶來了什麽。

首先，正如飛秒脈衝激光催生了飛秒化學，阿秒脈衝的發展也帶來了一個新的研究領域——阿秒物理。

阿秒物理的研究對象，即原子內的電子運動。比如電子繞氫原子核一周大約要152阿秒，那它的運動自然就需要阿秒尺度的“相機”才能拍到。

不過大家可能以為用阿秒脈衝激光拍電子，能像電子顯微鏡拍分子一樣。其實不然。因為電子太小了，我們根本看不見它，它也並非以經典意義上的方式繞核運動，而是以概率雲的方式同時存在於各個地方。我們能做的是測量電子的狀態。

當人們用飛秒激光去測量，測量的兩次之間電子已不知道“跑了多少圈”，而用阿秒激光，我們就能知道電子在“一圈”內的狀態變化。

如果你真的想知道電子的“照片”究竟長什麽樣的話。這是今年在nature上發表的一篇相關論文，這是儀器拍下的：

而對它進行分析後，視覺化效果是這樣的：

第一張圖裏的黑白和第二張圖裏的紅藍、起伏，都表示了物質中電子在不同時刻的狀態。這就是現在阿秒物理幹的事兒，通過這種方式，科學家們希望能夠加深認識一攬子可想而不可觀的物理現象：電子隧傳、載流子運動、光電效應等等。氪佬團隊用阿秒脈衝激光測得光電效應中，電子吸收光子的能量後逃逸的時間為21阿秒；

阿秒脈衝激光的應用領域，除了我們開頭提到的分子指紋外，還有一個重要的應用場景，計算機。

回想一下前麵提到的，高次諧波的產生過程。脈衝激光的光場使得電子擺脫原子核束縛，但瞬間又能將電子拉回。這一過程電子來回運動，不就相當於一次電流開關麽。

現在最好的矽基晶體管，開關頻率可達10^9Hz。而晶體管的開關效率直接決定了芯片的性能。10^9Hz相當於一次開關耗時1/(10^9)s，也就是1ns，要是我們用激光呢？

根據三人組之一氪佬估計，開關速度能提升10萬倍左右。當然事實上，這事兒還出於八字兒剛落筆的階段，就算出自諾獎得主本人之口，那也屬於是幻想時間的產物了。

尾聲

現實來講，阿秒脈衝激光目前最大的用處，就是用在科研裏，尤其用在基礎科學的研究。在其他領域的應用，要麽因為工藝水平不夠無法落地，要麽因為人類暫時還用不上精度如此之高的技術。換言之就是，這技術跑太快了，其他暫時都還跟不上。

安妮本人在2022年的采訪中也說過，自己不清楚阿秒激光究竟能帶來什麽。但她的研究本就不是為了解決什麽問題，而是與60多年前發明第一台激光器的西奧多•梅曼一樣，是“a solution searching for a problem”。

這種科研不現實？請看看這些多出來的問題給我們帶來了什麽吧：光刻機、光盤、激光核聚變、光劍。

我突然想起，在紀錄片中，主持人問氪佬他的激光有解決什麽問題的時候，氪佬說：“the number of new questions and new effects are not getting smaller.”問題越來越多，他的臉上的笑容卻滿溢出了屏幕，讓屏幕前的我感受到了他對研究的熱愛。他說，自己的感受難以用語言形容，如果要說的話，大概是childish joy and pleasure。

而這，與安妮所說的好奇心，大概是同一種心情吧。如果不是，那也一定同樣的純粹。所謂科研，不就應該如此嗎？