阿秒光源的实际应用会带来什么？阿秒脉冲原材料从气体到固体

2023年度诺贝尔物理学奖表彰了阿秒脉冲产生的实验研究工作，这是超快光学领域在20世纪末到21世纪初期的突破性进展。那么阿秒光源能应用到哪些领域呢？  

阿秒光子学可以在超短时间尺度和纳米分辨率上深入了解材料动力学。由于阿秒是原子、分子和固体内部电子运动的自然时间尺度，阿秒光子学的应用范围包括物理学、化学、医学、生命科学研究，甚至可能包括制造业——阿秒脉冲光子源可以引入全新的研究领域，但必须先开发出更明亮、更紧凑、更具成本效益的光子源。

虽然生成这一领域的光并不容易，且难以维持，但最终掌握这一技术将使相当多的市场受益，包括太赫兹级电子产品、用于显微镜或纳米镜的超快计量，以及控制量子过程的能力。

自 20 世纪 60 年代首次发明激光器以来，脉冲持续时间已经从微秒缩短至飞秒（1fs=10-15秒）。在2001年，超快光子学达到了一个重要的里程碑。激光物理学家首次突破了飞秒障碍，创造了阿秒脉冲（1as=10-18秒）——这是实验室中产生的持续时间最短的光脉冲。  

在过去的二十年里，阿秒科学仍主要停留在实验室内，但目前随着技术进步升级，高重复率的工业级超快和超高强度激光源正在开发。这些进步将最终推动阿秒科学走向实用，进入商业领域。

助力电子动力学发展

电子动力学引发了大多数化学反应，包括植物或太阳能电池对光的吸收。现代电子产品的开关也是由电子动力学产生的。

一种新型金属透镜聚焦由高次谐波辐射产生的极紫外(EUV)阿秒脉冲的图示。研究人员认为，这种金属透镜将把阿秒光谱技术转变为显微学技术。

虽然监视电子动态有用极多，但很少有技术能提供所需的阿秒级时间分辨率。

奥地利格拉茨技术大学实验物理研究所研究员Marcus Ossiander说：“了解高效的光收集、构建更快的电子器件和实现室温量子通信，所有这些我们都需要通过阿秒脉冲来实现。”

传统电子技术由于处理器内部的热量累积而面临一些局限性。因为逻辑晶体管的开关只能单向进行，所以开启开关需要通过耗散能量回到非导电状态才能进一步处理信息。

格拉茨技术大学实验物理学教授Martin Schultze说：“使用具有单飞秒或阿秒光学门信号的超快电子器件可以完全摆脱电子状态切换时的限制。只要激发保持相干，有意识地双向转换就变得可行。”

Martin Schultze和他的同事们展示了几种比现有电子学快约六个数量级的固态电子协议。他们还在探索无耗散运行的途径。

目前的实验在稳定性和数据采集时间方面仍存在问题。如果能开发出一种交钥匙光源，以高重复率提供具有微焦耳能量的单周期光波形，就能解决这个问题。

当前的激光系统工作重复频率在10赫兹至几千赫兹之间。但是，为了缩短成像时间并使其适用于大多数实际应用，重复频率必须大幅提高，达到数百千赫兹甚至更高。

这些光源产生于极紫外线（EUV）。但是，如果将它们设计在接近可见光范围的中心波长上，就能更容易地用现有的光学设备进行处理。

“这将使我们能够把阿秒光谱学和传感技术从量子光学实验室转移到操作简便和日常可用的应用和工业研究环境中。”Martin Schultze说。 

X射线自由电子激光器（XFELs）的起爆器部件中的超快相干X射线光的三维效果图，该激光器由激光唤醒场产生的电子束作为种子。

阿秒脉冲原材料从气体到固体

阿秒脉冲通常是通过高次谐波产生装置来生成的，高次谐波产生装置利用强烈的红外激光脉冲与材料相互作用而产生强烈的非线性效应。这个过程将激光脉冲的一小部分能量转化为高次谐波。

最初用于产生阿秒脉冲的材料主要是气体。这包括一个喷嘴喷出的约0.1标准大气压（atm）的稀有气体流，长度约为1毫米。或者可以使用充满气体的容器，其中的原子数小于0.01 atm/cm3。

如今，高次谐波的产生得益于2018年诺贝尔奖得主Donna Strickland和Gerard Mourou的研究成果。在他们的获奖研究中，他们使用啁啾脉冲放大技术拉伸、放大然后压缩来自掺钛蓝宝石（Ti:sapphire）激光器的超短弱光脉冲，从而产生高光学强度。

如今，由于光纤激光器技术具有更好的可维护性和更低的成本，人们开始大力淘汰掺钛宝石激光器。然而，这两种类型的激光器在功能上是相似的。在光纤激光器中，光纤振荡器首先产生弱光脉冲，然后通过光纤啁啾脉冲放大器进行放大。

Marcus Ossiander说：“当光脉冲的电场强度足以将束缚电子从原子中分离出来时（即，气体>1014 W/cm2，或固体>1013 W/cm2）时，就可以通过高次谐波生成获得阿秒脉冲序列，这些阿秒脉冲序列是时间间隔相等的极短光脉冲序列。”

在这个过程中，激光使材料离子化，并加速未束缚的电子。当每个电子最终与其母离子发生再碰撞和再结合时，会以单个高能光子的形式释放动能。

这一过程会产生持续时间为阿秒级的光脉冲，因为电子的释放只能发生在光脉冲振荡电场的最大值处。

这也解释了为什么该方法通常会产生一个脉冲序列。

“光脉冲中通常有许多电场最大值，每个电场最大值都能产生一个阿秒脉冲，”Marcus Ossiander说，“如果想获得单个阿秒脉冲，就必须使用非常短的光脉冲来驱动这一过程，或者使用具有复杂偏振或颜色的光脉冲。”

但是，自从发现高次谐波生成方法在固体中同样适用之后，研究人员越来越多地不再使用简单的惰性气体，改而使用液晶、半导体和其他透明固体等更复杂的样品来产生阿秒脉冲。

就固体而言，固体内部的带间跃迁取代了气体中的束间跃迁。电子在重新碰撞前会在固体晶格中移动，而不是在气体原子周围的自由空间中移动。

这种向更复杂样品的转变，有助于为下一代集成阿秒光源铺平道路，因为这种光源耗电更少，而且不需要持续供应生成介质。

此外，这也是朝着更紧凑、运行成本更低的光源迈出的一步。

了解电子电路内部运作情况

掌握阿秒时间机制还为分子成像开辟了新的可能性。通过控制可见光或红外驱动激光束或使用金属透镜来将软x射线聚焦到衍射极限。

“通过相干衍射成像，x射线将允许通过相干成像降低到波长极限，”加拿大安大略省渥太华大学教授Paul Corkum说，“因此，我们可以将2D成像与场感测相结合。”

由于芯片上施加的电压会干扰谐波的产生，因此施加电压实际上会变得“可见”。

如今，Paul Corkum的工作主要集中在金属样品上，希望通过利用已经从原子中释放出来的自由电子来提高效率。他还在探索利用阿秒源的高次谐波作为种子激发X射线激光跃迁。

“我们的目标是将阿秒技术对软X射线的精确控制与增益介质相结合，以提供额外的能量，”Paul Corkum说，当前X射线光子能量的极限大约是第4000次谐波附近的1.3 keV。

“我相信录制功能电路的影片将成为可能，”Paul Corkum说，“超快电子技术集合了小型化与快速化，阿秒技术也是如此。”

为了录制电子电路内部运作情况的影片，必须在阿秒工具箱中增加空间分辨率。

由于在这一频率范围内不存在透明材料，人们正在开发新的光学概念，如金属透镜，以帮助实现这种成像能力。

哈佛大学工程与应用科学学院的Federico Capasso研究小组展示了一种金属透镜，该透镜有可能在超紫外区实现高分辨率显微镜成像。这或许是该谱区的首个透射透镜。

“在这项工作完成之前，只能使用笨重而复杂的光学器件，如反射镜和菲涅尔区板，来实现超紫外聚焦。”Federico Capasso说。“金属透镜又平又薄，与传统的折射光学器件相比，可以更容易地校正光学像差。”

阿秒电离辐射用于研究生物分子

利用高阶谐波产生的阿秒脉冲可以通过红外源的上变频获得更高的光子能量。这种方法产生的大多数阿秒脉冲都在超紫外或软 X 射线范围内。

这种电离辐射可用于研究生物分子，如DNA构建模块腺嘌呤，以及研究它们对刺激的反应。

这正是德国电子同步加速器（DESY）阿秒科学部门的负责人Francesca Calegari正在探索的，他试图通过极端的时间尺度来控制分子的解离。极短的光脉冲直接作用于电子的位置或分子内电子的分布，从而影响键的形成和断裂。

“我坚信，阿秒技术通过在电子时间尺度上发挥作用，为控制化学反应开辟了新的令人兴奋的可能性，”Francesca Calegari说，“化学家们往往忽略电子动态的作用，但是通过适当排列超短光脉冲，我们现在能够在原子核开始移动之前，利用电子密度分布来控制电离诱导的分子解离。”

影响分子中电子密度分布直接关系到分子的反应性。利用这种反应性可以改善生物功能，例如光吸收。

例如，Francesca Calegari的团队目前正在研究如何利用超短激光脉冲诱导的电子动态来控制手性分子的反应。手性识别在包括药物工程、对映选择催化和生物物理的许多领域都至关重要。

手性分子以两种对映异构形式存在。换句话说，这两种形式共享相同的化学式，但它们是彼此的镜像，且具有极其不同的化学特性。在手性分子中启动相干电子动态提供了一种控制分子手性反应的方法，从而在不改变手性异构的情况下控制分子的化学反应性。这将为实现电荷定向反应性开辟一条新途径。

EUV与X射线激光器更紧凑

虽然总部位于德克萨斯州的TAU系统公司并未明确表示要生产阿秒脉冲源，但该公司的目标是开发紧凑型、高强度X射线自由电子激光器（XFELs），这可能为产生商业上可应用的阿秒脉冲提供潜在途径。

“XFELs是当今亮度最高的X射线源，还允许我们调整X射线的波长/光子能量，”德克萨斯大学奥斯汀分校物理学教授兼TAU系统公司创始人Björn Manuel Hegelich说，“目前的系统需要千米级的加速器，因此既庞大又昂贵。紧凑型激光驱动源有可能改变这种状况。”

TAU系统公司 X 射线自由电子激光器（XFELs）与用户终端站的三维概念效果图。图片显示了在不久的将来，XFELs机器的紧凑程度。 除了为科学、工业和医疗应用提供更广泛的高强度、相干EUV和X射线源之外，更紧凑的XFELs还可以为阿秒领域产生更具成本效益和实用性的脉冲源。

“我们可以在工业级机器中首次生成EUV和X射线脉冲，这些机器很容易在研究实验室、医疗机构或生产车间中使用，”TAU系统公司业务开发副总裁Catalin Neacsu说，“有了硬X射线，就可以深入观察金属物体的内部，例如反应堆容器或发电厂的深层焊缝，以及运行中的金属冶炼操作的寿命检测、医疗植入物或飞机发动机部件等增材制造零件的无损质量检验。”

审核编辑：刘清