更新时间：2025-05-18 02:14作者：佚名
周彭刘aihua
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运输出现之前，作为最快的运输工具，马已经为人类服务了数千年。数千年来，无数人想知道马是否脚步向空中，或者他们在跑步时是否总是在地面上有一根蹄。摄影技术出现后，人们开始考虑使用摄影技术来解决这个问题。在摄影技术中，可以在“关闭”时间内暴露并记录一项动作。动作发生的越短，越短的“关闭”需要记录，否则图像将具有幻影。但是，早期的摄影技术很长时间，成像速度很慢。直到1878年，使用具有改进快门的摄像机才拍摄了一组赛马跑步的照片（见图1）。米布里奇（Mibridge）的照片清楚地表明，在马的某个时刻，它的四蹄全部不在地面上。因此，提高相机的快门速度（时间分辨率能力）可以将我们对事物的认识提高到更高的水平。
图1 Maibridge的照片在1878年参加赛马
如今，人类探测器已经飞出了太阳系，天文学家的观察范围已经达到了数百万光年。空间的距离可以通过光的传播来衡量，并且空间的分辨率变成了时间较高的更高分辨率（更快的快门）。对于时间的分辨率，人们经常使用以下时间单位：picseconds（1ps=10-12），飞秒（1fs=10-15s）和秒数（1AS=10-18S）。
为了理解和感受这些单元的时间长度，让我们看一下光线可以在相应的时间单元中行驶多长时间：光线在1秒内行驶300,000公里，可以在地球上绕地球绕7.5次绕。在1 ps的时间内，它只能行驶0.3mm；在1 fs的时间内，它只能行驶0.3m，甚至不到头发链的百分之一；在1时，光只能传播0.3nm，即三个紧密排列的氢原子的长度（换句话说，1的时间不足以使光在氢原子的“赤道”绕）。
当人们对世界的观察时间尺度达到ATM秒的顺序时，人们可观察到的空间分辨率也可以达到原子量表（0.1 nm）和亚原子量表。在这样的时间和空间尺度上，人们在生物学，化学和物理学研究的边界也变得模糊，因为这些微观现象的根源在于电子的运动。这些显微镜过程中电子运动的时间尺度可以从数十个飞秒到甚至数十个较小的较小的范围，例如氢原子中电子圆圈的时间为152as。脉冲脉冲的出现使人们能够结合原子量表的超高时间分辨率和对原子量表的超高空间分辨率的结合，以实现控制和理解原子量- 阳离子微观微观世界中极端超级速度过程的梦想。
1。
Atsecond Light脉冲是一个光脉冲，其发光持续时间很短，其脉冲宽度小于1fs。为了更好地理解第三光脉冲，我们需要了解激光的生成和开发过程。
激光是一种新的光源，具有单发射方向的特征，极高的强度和良好的连贯性。激光的英文名称是激光器，它是“通过刺激辐射的发射来减排”的缩写，这实际上意味着刺激辐射会放大光。中国物理学家Qian Xuesen以他的意图将其命名为“激光”。在1960年代，来自加利福尼亚州休斯实验室的Meman开发了世界上第一个激光束。
根据发光持续时间的长度，激光通常被分类为连续激光器和脉冲激光器。连续激光器可以长时间产生激光灯，但输出低功率。脉冲激光器的工作方法是在较小的时间段内发出光脉冲，其峰值功率非常高。从激光在20世纪的诞生到1980年代，脉冲激光器的单个脉冲时间可以达到picseconds的顺序。随着激光技术的持续发展，激光的脉冲宽度也正在缩小。 1981年，Faulk等。贝尔实验室使用模式锁定技术，将脉冲激光器的脉冲宽度降低到小于100 fs。 2001年，奥地利维也纳技术大学的Clauz研究团队成功使用了气体高谐波来产生一个脉冲宽度为650的单个光脉冲，使光脉冲宽度达到了ATM秒的顺序。
超短脉冲的光线有助于改善观察微观颗粒高速运动的人们的时间分辨率，就像高速相机使人们能够记录更快的事件，例如爆炸性气球或高速子弹。飞秒激光器的出现允许人类首次在原子和分子水平上观察超快运动过程。我们世界上的大多数物质都是由分子和原子组成的，它们正在迅速移动。这是微观物质的非常重要的基本特性。飞秒激光器使人们能够将化学反应过程用于“电影”并研究整个过程。化学反应的本质是分子中原子和电子的运动。为了更深入地观察电子的运动，时间分辨率量表和相应的空间分辨率量表（100nm）可以通过飞秒激光器可以实现，这显然无法满足条件。在实验中可以获得的Atsecond Light脉冲的脉冲宽度比原子中电子的运动循环可以达到甚至短。基于电子运动的研究，Atsecond Light脉冲的超短期时间分辨率能力为Atsecond科学打开了大门。
2。在出现第三次光脉冲之前
产生激光后，人们在追求脉冲激光器的更高强度和较短的脉冲时间方面不断提高了相关技术。其中，激光模式锁定技术的发明促进了飞秒激光器的诞生，以及刺耳的脉冲放大技术（CPA）和腔外脉冲压缩技术等的出现，为高强度激光器的产生提供了可靠的解决方案，并为Atsecond Light Pulses的出现铺平了方法。
激光模式锁定技术可以允许大量高度相干和相锁的激光纵向模式同时振荡，并合成一个非常短的时间宽度的高功率脉冲。
早期锁定激光技术是在固态激光增益培养基中实施的，产生的激光脉冲宽度小于100ps。后来，在美国物理学家房屋的被动模式锁定理论的指导下，碰撞脉冲模式锁定方法（CMP）能够使激光脉冲宽度达到100FS。在1980年代，在固态激光媒体上进行了一系列的研究工作，使用Ti：Sapphire激光系统时发现的自动模式锁定现象为超短激光的发展带来了技术革命。
自动锁定现象是由非线性介质中的Kerr效应引起的，因此也称为Kerr镜头模式锁定。 1999年，Mogner和其他来自MIT的人使用Kerr镜头模式锁定技术不仅使激光脉冲宽度达到5.4fs，而且还使脉冲宽度短于两个光学周期。使用飞秒激光的泵——检测技术，人们观察到了从未有过的化学反应的中间过程，并成功控制了化学键的键形成和破裂。从事这项工作的Zewell教授也获得了1999年诺贝尔化学奖。
在通过模式锁定技术获得几个飞秒的脉冲宽度的超短脉冲激光器时，激光的输出功率也得到了很大改善。但是，随着激光输出功率的增加，由于非线性光学效应（例如自我关注），激光增益介质将受到损害，因此脉冲激光器的峰值功率受激光培养基损伤阈值的限制。在十年的时间里，这种限制并没有取得很大的突破，并且激光的输出功率密度在1012W/cm2左右停滞不前。
1985年，美国罗切斯特大学的Muru和Strickland首先提出了激光CPA技术，在高功率激光放大期间，非线性效应可以*减少激光媒体的损害。 CPA技术的基本原理是在通过分散技术放大之前将激光种子脉冲的能量分散，然后使用分散技术将激光脉冲的时间宽度逆转压缩到其原始状态，最后提高了Ultra-Short Pulse激光器的强度。随着CPA技术的广泛应用，以100TW（1TW=1012W）和1 PW（1PW=1015W）级别的超短激光系统微型化的超短激光系统并不少见。 CPA技术目前用于世界上所有高功率激光器（超过100tw）。穆鲁（Muru）和斯特里克兰（Strickland）也为此获得了2018年诺贝尔物理奖。
3。产生的点亮脉冲
人们一直在努力产生从100ps到100F的光脉冲，再到几秒钟，直到出现几个飞秒激光器的周期，而短脉冲技术停止。目前，与一个光学周期相比，人们很难使脉冲信封短。以800nm波长为例，以光周期的长度为2.66fs，因此激光脉冲宽度比这次短。尽管德国研究团队成功地将飞秒红外激光的光谱扩大到了2501000nm，并在2013年将其压缩到415AS，但他们使用的传统光学脉冲压缩方法很难进一步缩短激光脉冲的时间宽度。显然，为了获得较短的脉冲，必须使用较短的载体波长来支撑较短的脉冲宽度。
为了产生较短的载体波长，人们需要根据光生的基本理论做出突破。在出现Atsecond Light脉冲之前，产生超短脉冲激光器的理论基础是爱因斯坦的能级过渡刺激的辐射。根据刺激辐射的理论，结合能级处的电子只能在核附近移动并存储有限的能量。通常，上下能级的跃迁发出的光子对应的波长位于可见光附近。可见光的光学周期通常高于1fs，这显然很难进一步产生更短的接头脉冲。那么，如果电子在原子核附近没有绑定而是被自由释放会发生什么呢？
图2 Cokem教授提出了经典的三步模型（中文）
1993年，加拿大物理学家科克汉姆（Cockham）提出了著名的经典三步模型，该模型奠定了生成短波长光的理论基础（极端紫外线至X射线）（见图2）。经典的三步模型在强激光器的作用下将原子中电子的运动划分为三个过程：隧道电离，激光加速度和背核中核的运动（见图3）。 （1）隧穿电离：原子内部库仑力的强度接近一个原子单位（3.551016W/cm2）。人们通过CPA获得的激光强度已达到1014至1015W/cm2，这与原子内部的库仑力相当。目前，电子可以以隧道电离形式逃脱库仑链。从量子力学的角度来看，与作用于原子上的弱激光器的多光子电离的概率相比，这种微观事件的概率得到了极大的提高。 （2）激光加速度：当电子从原子核的库仑力逸出时，其运动几乎完全由激光电场完全控制，并且电子的运动轨迹可以由经典的牛顿力学很容易地描述。 （3）回到细胞核：由于激光电场正在互动振荡，因此电子最终将在激光电场的作用下返回原子核附近。在返回原子核的过程中，激光电场加速电子以获得高能。当电子返回到细胞核时，电子能量以较高的谐波形式释放出该部分的能量，从而辐射高能光子。释放的光子能是电子在返回原子核期间获得的动能和电子电离能的总和。因此，电子在激光加速度中获得的动能越多，光子的能量就越高。
图3经典三步模型的示意图
1993年，诺贝尔物理学奖得主提议使用傅立叶合成方法来生成较高谐波的第秒光脉冲。通常，人们使用这种方法来合成多周期激光脉冲来产生由原子分子产生的较高谐波，这些谐波通常按几个飞秒的顺序排列到数十个飞秒。为了获得第三时间尺度的超快速时间分辨率，必须从At-Second Light Pulse Train中选择一个孤立的处于秒的光脉冲，即必须选择一个单一的光脉冲。产生单个处的光脉冲的基本方法是抑制大多数驾驶激光周期的较高的谐波排放，并仅在光学周期时间窗口的一半中允许更高的谐波排放。这个时间窗口称为时间门。根据单一大气光脉冲产生的定律，理论上人们探索了超短毛的单一大气光脉冲的获取。
1994年，莱文斯坦（Levinstein）的小组提出了一个基于量子理论的高谐波产生的强场近似模型（SFA）。在这个理论中，他们假设（i）不考虑激发态的贡献。 （ii）忽略基态的衰减； （iii）连续电子不受细胞核的库仑效应的影响。 1996年，莱文斯坦（Levinstein）的群体理论上证明了单原子模型的计算可能会产生处于秒的光脉冲。同年，Kristov等人。使用单原子的三维模型来计算小于10Fs的激光脉冲来产生宽带高效谐波，然后过滤可以生成约100AS的X射线大气光脉冲。
同时，高性能计算机技术的快速开发为单原子模型的含时时间的Schrdinger方程（TDSE）提供了数值解决方案。 QRS（定量拆卸）理论是由堪萨斯州立大学的林Qidong研究小组开发的。该理论基于量子散射理论的强场相互作用理论。它以激光场在激光场的作用下以返回电子与核之间的相互作用作为散射过程，并从最终的高谐波或光电子分析中获取相互作用信息。该模型的计算结果与TDSE模拟的计算结果非常相似，但是计算量远小于求解TDSE。
由于单一的点光脉冲的产生需要有效控制较高谐波的发射时间，并且该发射时间与电子的运动轨迹密切相关，因此人们通常通过调节激光电场来产生单个Atsecond灯脉冲来控制电子的运动。通常，人们使用多色组合的激光电场来控制电子的运动，这可以有效地控制较高谐波的发射时间。理论研究表明，通过调整幅度比，极化，波长比，相对延迟，相位和其他参数，可以有效地控制电子的运动轨迹，从而提高较高谐波的产量并缩短处于秒光脉冲的时间宽度。
在实验中，基于较高谐波产生的驱动激光器的各种特征的依赖性设计了许多技术解决方案，而所使用的驾驶脉冲激光器是具有较小时期的强飞秒脉冲激光器。 2008年，Gurlimakis等人。使用高谐波生成过程的激光强度的高度非线性依赖性，并使用3.3fs Ultra-Short激光脉冲具有稳定的载流子信封相，以获得80 AS的单个大气脉冲。该技术解决方案称为小型脉冲脉冲泵激光解决方案，但在实施过程中具有很高的技术要求。极化时间门技术可以实现具有相对较低技术要求的单一大气脉冲产生。这项技术目前非常成熟。
极化时间门是使用高阶谐波产生效率设计的，以非常对泵脉冲激光器的极化特性非常敏感。 2006年，Sansonne等。使用极化时间门技术使用5 Fs的激光脉冲生成130AS的单个大气脉冲。同样基于两极分化时间门技术的原则，美国堪萨斯州立大学的Chang Zenghu教授提出了双光学时间门和广义的双光学时间门方案。它们可以使驾驶激光脉冲宽度产生一个高达28fs的单个ATM秒脉冲。两色场时间门方案使用高阶谐波为激光电场的强度生成敏感特征，并使用倍增频率乘以激光电场的基本频率激光器来合成激光电场并驱动激光电场。 Zeng Zhinan和其他来自上海光学精确力学研究所的中国科学学院的其他人使用了两色相干控制方法获得148 eV的超宽光谱。从理论上讲，如此广泛的频谱可以合成小于24的超短大气脉冲脉冲。
此外，其他技术解决方案还可以有效地产生单个秒光脉冲，例如称为电离时间门的技术解决方案。该解决方案是在很短的时间内电离原子的接地电子，并且可以使用更长的激光脉冲来产生单个处于秒的光脉冲。
近年来，Atsecond Light Puls的脉冲宽度记录已连续刷新。 2012年，Chang Zenghu教授的研究团队使用了他提出的双重光学时门方案来产生67个大气脉冲。在2017年7月在西安举行的第六届国际沥青物理会议上，Chang Zenghu教授的研究团队和瑞士的Werner研究团队还宣布，根据Pallization Gate Technology，使用中红外激光器来产生53的单脉冲脉冲。一个多月后，Werner的研究团队优化并打破了50AS标记，产生了43AS的单一大气脉冲。目前，这也是最快的点亮脉冲。
目前，中国在超短脉冲脉冲产生的技术方面也取得了良好的进步。中国科学院物理学研究所的Wei Zhiyi研究团队使用振幅时间门获得160AS的稳定脉冲。进一步缩短了第三光脉冲的时间宽度并增加了处于第二光脉冲的输出能量，这是科学家追求的长期目标。
随着激光技术的持续发展，人们可以产生几个甚至数十个Millijoules，35m中红外驱动光源，以产生大气脉冲。根据较高谐波产生的理论，单个光子的最大能量与激光强度和激光波长的平方成正比。因此，将来，更强，更长的波长红外驱动激光器更适合于产生较短的大气光脉冲来创造记录。
4。施加了第三次光脉冲
处于快速脉冲具有极快的特性，这是一件非常酷的事情。人们使用与泵——检测技术相结合的接下来的光脉冲来检测数十个ATSECONDS的超快电子动力学过程，并且可以在原子尺度内实时控制电子的运动。 Atsecond Light Pulse的应用是人类正在发展的新科学领域。它不仅可以帮助科学研究人员分析基本物理问题，例如原子和分子中电子的运动过程，原子和核的结构，而且还为材料科学和生命科学提供了新的研究方法。
目前，人们使用处于接头的光脉冲研究原子和分子中的超快电子动力学。关于原子的物理现象主要是原子中的电子电离，多电子螺旋螺旋衰败，电子激发松弛和成像等，而对分子的研究主要涉及分子的解离过程和控制分子的控制，分子的振动和旋转的分子和旋转的偶联。例如，德国克劳斯研究小组在Atth-Second Light Pulse Action Neon Atoms和Xenon原子上使用了250AS来研究电子的激发和隧穿电离，并观察到Neon二价正离子的产量上升时间为400AS。 2017年，加拿大的Villeneuve研究小组使用了一条脉冲列车与红外激光场相结合，以对霓虹灯原子的秒电子波包进行成像（见图4）。
图4使用At-Second Light Pulse Train和红外激光（第1部分）和（第2部分）的实验结果和理论结果
人们对凝聚态物理学的许多超快电子过程也非常感兴趣，包括表面电子屏蔽效应，热电子，电子孔动力学等。在实时检测和控制这些冷凝状态的超快电子过程中，Atsecond Light脉冲的采用将有助于改善电子信息技术。目前，Atsecond Light Pulse主要研究冷凝物质中表面电子的瞬态结构。 2007年，当克劳斯的研究团队使用秒光脉冲来检测固体表面电子时，发现局部4F状态和非本地传导带电子发射之间存在100as的时间差。此外，与瞬态吸收光谱技术结合使用的接头光脉冲的组合已从早期的原子分子系统扩展到凝结物质系统的研究。结合到秒光脉冲和超宽光谱范围的超快时间分辨率，可以开发新的技术手段，并为复杂系统的电子动力学（例如冷凝物质）的电子动力学开辟新的方向。 Atsecond Light脉冲的高能量X射线与凝结物质中紧密结合的电子相互作用，这也可以检测到特定原子中电子的空间位置和瞬时运动状态，这为研究具有化学元件的材料中快速过程提供了一种替代方法。对于当今手机和计算机中使用的下一代逻辑和内存芯片等开发，这种功能是无价的。
Atsecond Light脉冲的应用也可以从冷凝状态延伸到更复杂的系统，例如有机分子和生物分子。在生命科学领域，由于Atsecond Light Pulse的高能量光子可以到达具有280EV至530EV的能量范围的光谱区域，因此所谓的“水窗”，该区域的光子不能被水吸收，但可以被原子（如碳原子和氮基因和氮基因构成生物学的原子）所吸收。因此，Atsecond Light脉冲可用于对生物样品进行X射线显微镜，检测生命科学中的量子过程，并为复杂生物分子的建模，理解和控制奠定基础。 For example, using the atsecond light pulse to create slow-motion videos on electrons and atoms of biological molecules in living cells, observe the subatomic electron dynamics process during the photoelectric conversion process, analyze the reasons why the photosynthesis efficiency of chloroplasts can reach more than 40%, and thus improve the performance of photoelectric conversion materials, so that solar panels with photoelectric conversion efficiency hovering around 10的人可以更有效地使用太阳能，并有助于实现绿色和环保的地球。
简而言之，由于其时间非常短，并且具有覆盖包括水窗在内的重要光谱段的能力，Atsecond Light Pulses已成为研究亚原子量表的物理定律的最强大工具，并具有控制化学合成和研究生命现象的重要应用前景。 （全文结束）
本文摘自《现代物理知识》第3期，2019年。时间摘录来源：现代物理知识杂志编辑：Inoue Jun