2023年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——從脈沖激光到阿秒光源

本文選自《物理》2023年第12期

摘要 2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予超快激光科學(xué)和阿秒物理領(lǐng)域的三位科學(xué)家，以表彰他們?cè)诎⒚牍饷}沖的產(chǎn)生和應(yīng)用上做出的卓越貢獻(xiàn)。阿秒光脈沖的產(chǎn)生，使得人們可以在亞原子尺度上研究電子的超快運(yùn)動(dòng)，打開(kāi)通向“電子世界”的大門。目前，基于阿秒光脈沖發(fā)展的阿秒光子/電子譜學(xué)已經(jīng)成為物理、化學(xué)、生物等眾多領(lǐng)域重要的研究手段。文章將簡(jiǎn)要介紹阿秒光脈沖的研究背景、產(chǎn)生、測(cè)量方法及其在電子超快動(dòng)力學(xué)研究中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，超快激光科學(xué)，阿秒物理，阿秒光脈沖

01

引 言

2023年10月，瑞典皇家科學(xué)院宣布將本年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予皮埃爾·阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini)、費(fèi)倫茨·克勞斯(Ferenc Krausz)和安妮·呂利耶(Anne L’ Huillier)三位科學(xué)家(圖1)，以表彰他們?cè)趯?shí)驗(yàn)上產(chǎn)生阿秒激光脈沖并將其運(yùn)用到物質(zhì)中電子超快動(dòng)力學(xué)的探測(cè)上[1]。阿秒光源的產(chǎn)生和應(yīng)用使得人們可以在原子尺度上捕捉電子的超快運(yùn)動(dòng)，為揭示微觀量子世界的基本動(dòng)力學(xué)過(guò)程提供了強(qiáng)有力的探測(cè)手段，同時(shí)它也催生了“阿秒物理”這一全新的研究領(lǐng)域。

圖1 三位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者[1]

時(shí)間和空間是描述物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和變化的兩個(gè)關(guān)鍵維度。為了深入理解物質(zhì)的微觀特性和動(dòng)態(tài)，我們必須探索更為細(xì)微的時(shí)間和空間尺度。物質(zhì)由原子和分子組成。原子，作為化學(xué)反應(yīng)最基本的單位，是由中心的原子核及其周圍的電子構(gòu)成的。以氫原子為例，在第一玻爾軌道上，電子繞核運(yùn)動(dòng)的周期約為150阿秒(attosecond，簡(jiǎn)記為as，1 as=10-18 s)。為了更直觀地感受電子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間尺度，這里給出其他物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的特征時(shí)間尺度，如圖2所示。在宏觀尺度，通過(guò)廣義相對(duì)論等理論結(jié)合宇宙學(xué)模型，估計(jì)的宇宙年齡約為138億年，相當(dāng)于1018 s，人的壽命大約幾十年，約為1010 s；在介觀尺度，芯片的運(yùn)行速度在納秒量級(jí)(nanosecond，簡(jiǎn)記為ns，1 ns=10-9 s)；在微觀尺度，分子的轉(zhuǎn)動(dòng)在皮秒量級(jí)(picosecond，簡(jiǎn)記為ps，1 ps=10-12 s)，而分子的振動(dòng)則在飛秒量級(jí)(femtosecond，簡(jiǎn)記為fs，1 fs=10-15 s)。利用玻爾模型，我們知道電子在基態(tài)軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，軌道能量絕對(duì)值E1≈13.6 eV，因此可以估算電子在氫原子內(nèi)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間尺度t0~?/E1≈48×10-18 s，即48 as。我們還可以估算電子圍繞玻爾軌道運(yùn)動(dòng)一周需約150 as。可見(jiàn)，阿秒是原子內(nèi)電子運(yùn)動(dòng)的特征時(shí)間尺度。為了捕捉電子的超快運(yùn)動(dòng)，探測(cè)手段必須達(dá)到阿秒時(shí)間精度。

圖2 物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的特征時(shí)間尺度

02

從脈沖激光到阿秒光源

光與物質(zhì)的相互作用為研究物質(zhì)和光場(chǎng)特性提供了寶貴的手段。這種相互作用推動(dòng)了量子物理、原子物理、非線性光學(xué)和量子光學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，并為多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。激光技術(shù)的誕生將光與物質(zhì)相互作用研究推向了新的高潮。激光(light amplification by stimulated emission of radiation，LASER)，意思是“受激輻射的光放大”，它是20世紀(jì)人類的又一重大技術(shù)突破。激光的受激輻射放大原理在1916年由愛(ài)因斯坦提出，但直到1960年，世界上第一臺(tái)紅寶石激光器才問(wèn)世。激光憑借其獨(dú)特屬性，如單色性好、相干性高和亮度高，得到了廣泛應(yīng)用。激光的發(fā)明不僅促進(jìn)了激光技術(shù)的發(fā)展，還催生了新領(lǐng)域，如非線性光學(xué)。從1961年發(fā)現(xiàn)二次諧波到20世紀(jì)70年代末，是非線性光學(xué)研究迅速發(fā)展的時(shí)期。

在過(guò)去的幾十年里，科學(xué)家們不斷追求激光器的高穩(wěn)定性、高功率、短脈寬、可調(diào)諧等目標(biāo)。隨著可調(diào)Q (Q值表示激光諧振腔的品質(zhì)因子)、鎖模技術(shù)的提出，激光的脈寬不斷減小，可達(dá)皮秒量級(jí)，峰值功率逐漸增大，可達(dá)109 W。20世紀(jì)80年代，得益于啁啾脈沖放大技術(shù)的提出，超短脈沖激光的峰值功率逐步提高，已達(dá)到太瓦(1 TW=1012 W)、甚至拍瓦(1 PW=1015 W)量級(jí)，其聚焦后的功率密度達(dá)到1023 W/cm2。啁啾脈沖放大技術(shù)的提出者Gérard Mourou以及Donna Strickland獲2018年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[2]。

隨著超短激光技術(shù)的發(fā)展，激光科學(xué)家不斷提升平均功率和峰值功率，還不斷縮短超短脈沖激光的脈沖寬度。目前，飛秒激光脈沖技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，為超快光學(xué)研究開(kāi)辟了新的途徑。它能夠捕捉分子的核波包動(dòng)態(tài)，揭示其轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)以及化學(xué)鍵的形成和斷裂等過(guò)程。然而觀察電子的超快動(dòng)態(tài)，需要將脈沖進(jìn)一步縮短到阿秒級(jí)別。飛秒激光技術(shù)產(chǎn)生的脈寬止步于4 fs量級(jí)，在它面前是難以逾越的“飛秒屏障”，這意味著更短脈沖的產(chǎn)生，需要“研究范式的轉(zhuǎn)變”。

強(qiáng)激光與原子的相互作用為阿秒脈沖的產(chǎn)生提供了新的技術(shù)路徑。得益于超短超強(qiáng)脈沖的發(fā)展，聚焦之后的激光強(qiáng)度通常可達(dá)1013—1015 W/cm2，對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度范圍為107—109 V/cm，這一強(qiáng)度已經(jīng)可以與原子內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度相媲美(例如，氫原子基態(tài)電子所受到的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)約為5×109 V/cm)。在這種極端光場(chǎng)作用下，原子、分子的行為超越了傳統(tǒng)理論的描述，帶來(lái)了如隧道電離、多光子電離和高次諧波產(chǎn)生等新奇的非線性現(xiàn)象。這一領(lǐng)域的快速發(fā)展促成了超快強(qiáng)場(chǎng)光物理領(lǐng)域的形成，為未來(lái)的科學(xué)研究開(kāi)辟了新的方向。

1887年，德國(guó)科學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)金屬表面在光輻射的作用下會(huì)發(fā)射出電子，這種現(xiàn)象被稱為光電效應(yīng)[3]。光電效應(yīng)是典型的單光子電離過(guò)程。1905年，愛(ài)因斯坦提出了光量子假說(shuō)并成功地解釋了這一現(xiàn)象[4]，與此同時(shí)，他預(yù)言當(dāng)輻射場(chǎng)的強(qiáng)度足夠高時(shí)，量子體系可能會(huì)發(fā)生多光子過(guò)程。早期，礙于輻射場(chǎng)光子密度較低，實(shí)驗(yàn)上很難觀測(cè)到多光子過(guò)程。直到1960年，激光的發(fā)明使得輻射場(chǎng)的光子數(shù)密度提高了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這為觀測(cè)多光子過(guò)程提供了條件。1963年，E. K. Damon等人使用紅寶石激光來(lái)電離He、Ar以及中性混合氣體，首次在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到了多光子電離過(guò)程[5]，隨后G. S. Voronov等人利用紅寶石激光觀測(cè)到了Xe原子的7光子電離過(guò)程[6]。目前，普遍認(rèn)為多光子電離發(fā)生在激光強(qiáng)度約為1013 W/cm2的條件下，這一過(guò)程可以由低階微擾理論描述。1979年，今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Agostini組首次在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到多光子閾上電離現(xiàn)象(above threshold ionization，ATI)[7]。他們發(fā)現(xiàn)電子吸收足夠的光子數(shù)達(dá)到電離能以上之后，還可進(jìn)一步吸收額外的光子發(fā)生連續(xù)態(tài)間的躍遷。ATI的發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟了強(qiáng)場(chǎng)物理實(shí)驗(yàn)研究的序幕，標(biāo)志著光與物質(zhì)相互作用由非線性光學(xué)時(shí)代邁入了強(qiáng)場(chǎng)物理時(shí)代。

隨后，L’ Huillier組在Kr原子的多光子電離實(shí)驗(yàn)中觀察到了多電離現(xiàn)象，即Kr原子吸收多個(gè)光子發(fā)生電離，產(chǎn)生了Kr+，Kr2+，Kr3+和Kr4+這些不同離子[8]。隨后，他們?cè)赬e原子的實(shí)驗(yàn)中同樣觀察到了類似的多電離現(xiàn)象[9]。原子多光子多電離現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為后續(xù)電離過(guò)程中電子—電子關(guān)聯(lián)研究提供了基礎(chǔ)。

光與原子的相互作用，不僅涉及到光電子發(fā)射過(guò)程，還有光子的輻射。1987年，A. McPherson等人利用248 nm的強(qiáng)紫外激光照射稀有氣體原子獲得了波長(zhǎng)小于80 nm的真空極紫外輻射，首次在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到高次諧波產(chǎn)生(high-order harmonic generation，HHG)[10]。假設(shè)入射激光場(chǎng)的頻率為ω，產(chǎn)生的高次諧波光子能量為Nω，N為奇數(shù)，代表高次諧波的階次。典型的高次諧波頻譜如圖3所示，類似于閾上電離的電子能譜，高次諧波的強(qiáng)度先隨階次的增大指數(shù)下降，這個(gè)區(qū)域被稱為微擾區(qū)，隨后出現(xiàn)一個(gè)較長(zhǎng)的平臺(tái)區(qū)，各階諧波強(qiáng)度相當(dāng)，之后隨著階次的增大，諧波強(qiáng)度快速下降，進(jìn)入截止區(qū)，最終在某一能量處截止。

圖3 典型的高次諧波光譜[1]

1988—1992年間，L’ Huillier，K. Shapher，K. C. Kulander等人針對(duì)高次諧波過(guò)程開(kāi)展了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，加深了人們對(duì)高次諧波產(chǎn)生機(jī)制、效率及相位匹配的理解[11—16]。時(shí)域上，高次諧波過(guò)程可用1993年P(guān). Corkum針對(duì)強(qiáng)場(chǎng)電離過(guò)程提出的著名“三步”模型來(lái)解釋[17]。如圖4所示，在該模型中，電子首先在強(qiáng)激光場(chǎng)的作用下發(fā)生隧穿，隧穿之后的電子在外加激光場(chǎng)的作用下加速，并有可能返回母核，與核發(fā)生復(fù)合，回到基態(tài)，多余的電子能量以高能光子的形式釋放。作為強(qiáng)場(chǎng)物理的先驅(qū)，Corkum與另外兩名諾獎(jiǎng)得主L’ Huillier以及Krausz共同獲得了2022年的沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)，以表彰他們“對(duì)超快激光科學(xué)和阿秒物理學(xué)的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)”。無(wú)論是Kulander等人的解釋，還是“三步”模型，都是半經(jīng)典的。直到1994年，M. Lewenstein、L’ Huillier和Corkum與其他幾位合作者進(jìn)一步提出了一個(gè)完整的量子理論[18]，證實(shí)了Kulander和Corkum的半經(jīng)典解釋。

圖4 強(qiáng)場(chǎng)電離的“三步”模型[1]

在揭示了高次諧波的輻射機(jī)制之后，科學(xué)家開(kāi)始研究HHG的時(shí)域特征。1996年，L’ Huillier等人理論研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)篩選電子軌跡，原則上可以利用HHG制備阿秒脈沖串[19]。長(zhǎng)、短電子軌道概念也是在這項(xiàng)工作中被提出的，并一直沿用至今。該研究為實(shí)驗(yàn)上產(chǎn)生阿秒激光脈沖提供了強(qiáng)有力的理論依據(jù)。隨后，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中利用遠(yuǎn)場(chǎng)干涉的方法研究了高次諧波的時(shí)間相干特性[20]。

伴隨著阿秒脈沖產(chǎn)生的物理機(jī)制、頻譜特征及時(shí)域特性的揭示，實(shí)驗(yàn)上阿秒脈沖產(chǎn)生和測(cè)量的技術(shù)條件也越來(lái)越成熟。2001年，Agostini利用800 nm光場(chǎng)中Ar原子的HHG首次在實(shí)驗(yàn)上產(chǎn)生了阿秒光脈沖串[21]，實(shí)驗(yàn)方案如圖5所示，他們還利用雙光子干涉的阿秒拍頻重構(gòu)(reconstruction of attosecond beating by interference of two-photon transition，RABBITT)實(shí)現(xiàn)了對(duì)諧波相位以及阿秒脈沖串中脈沖寬度的測(cè)量。

圖5 產(chǎn)生阿秒脈沖串的實(shí)驗(yàn)方案[21] (a)一束鈦藍(lán)寶石激光脈沖(800 nm，40 fs，1 kHz)經(jīng)過(guò)掩模板被分成外部環(huán)形部分和中心部分。這兩個(gè)部分經(jīng)過(guò)延時(shí)片后聚焦到氬(Ar)氣體靶上，其中中心部分電離Ar原子，并產(chǎn)生極紫外(XUV)諧波，而環(huán)形部分在后續(xù)傳播過(guò)程中被小孔光闌阻擋，只有紅外脈沖(IR)的中心部分及其諧波可以通過(guò)。隨后，光束通過(guò)一個(gè)鎢涂層球形反射鏡聚焦到氬氣體靶上，使之發(fā)生電離。電離產(chǎn)生的光電子通過(guò)飛行時(shí)間電子譜儀和微通道板來(lái)探測(cè)；(b)XUV+IR雙光子量子躍遷路徑。這里ωlaser表示基頻光頻率，ωq=qω。電子從基態(tài)吸收單個(gè)XUV光子發(fā)生電離，躍遷到連續(xù)態(tài)(如藍(lán)色箭頭所示)。在IR光場(chǎng)的作用下，電子將吸收或釋放1個(gè)IR光子，發(fā)生連續(xù)態(tài)間躍遷(如紅色箭頭所示)。對(duì)于吸收1個(gè)ωq+1光子釋放1個(gè)IR光子，以及吸收1個(gè)ωq-1光子再吸收1個(gè)IR光子這兩條雙光子量子躍遷路徑而言，電子將躍遷到相同的能量處，并發(fā)生干涉，在電子能譜上形成邊帶結(jié)構(gòu)

除了產(chǎn)生阿秒脈沖串，產(chǎn)生單個(gè)孤立的阿秒激光脈沖也同樣重要。同年，Krausz團(tuán)隊(duì)利用周期量級(jí)的激光脈沖驅(qū)動(dòng)高次諧波過(guò)程，通過(guò)提取高次諧波譜截止區(qū)的頻譜，首次獲得了650 as單脈沖[22]。值得注意的是，由于單阿秒脈沖制備過(guò)程中使用了周期量級(jí)光脈沖做驅(qū)動(dòng)光，考慮到光場(chǎng)的相干性以及輻射場(chǎng)的強(qiáng)度，這就對(duì)驅(qū)動(dòng)光載波包絡(luò)相位(carrier-envelop offset phase，CEP，代表激光脈沖峰值和激光包絡(luò)間的相位差)的穩(wěn)定性提出了嚴(yán)格的要求，需要用到相位鎖定技術(shù)。2003年，在與T. W. Hänsch等緊密合作下，Krausz研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)周期量級(jí)激光脈沖CEP的鎖定，解決了單阿秒激光脈沖穩(wěn)定性的問(wèn)題，并為其后續(xù)的應(yīng)用掃除了障礙[23]。CEP鎖定技術(shù)的核心是光頻梳相關(guān)技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)正是2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者Hänsch的開(kāi)創(chuàng)性工作。

在實(shí)現(xiàn)了單個(gè)阿秒脈沖的穩(wěn)定產(chǎn)生后，Krausz團(tuán)隊(duì)開(kāi)始尋找其在超快時(shí)間分辨測(cè)量中的應(yīng)用。他和Corkum于2002年提出了一種時(shí)間分辨測(cè)量方法，稱為“阿秒條紋相機(jī)(attosecond streaking camera)”[24]。該方法的核心思想是使用孤立的阿秒光脈沖電離原子，并通過(guò)一束時(shí)間同步的近紅外強(qiáng)激光場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)，此時(shí)電子能量將取決于電離時(shí)刻近紅外光場(chǎng)的相位。因此，根據(jù)電子能量的相位依賴性即可獲得阿秒脈沖的脈寬和啁啾信息。Krausz團(tuán)隊(duì)于2004年成功在實(shí)驗(yàn)上首次實(shí)施了阿秒條紋相機(jī)方案[25]，通過(guò)調(diào)節(jié)單個(gè)阿秒脈沖與近紅外光場(chǎng)的時(shí)間延遲來(lái)測(cè)量電子能譜的延時(shí)依賴性。如圖6所示，電子的能量會(huì)隨時(shí)間延時(shí)發(fā)生改變。這種延時(shí)依賴性提供了一種直接的方法來(lái)獲取紅外激光場(chǎng)的矢勢(shì)信息，從而達(dá)到了激光場(chǎng)波形的測(cè)量和再現(xiàn)的目的。

圖6 阿秒條紋相機(jī)延時(shí)依賴的電子能譜[25]

目前，基于氣體高次諧波發(fā)展的系列阿秒脈沖技術(shù)已經(jīng)成為探索阿秒科學(xué)的重要手段。自2001年Krausz團(tuán)隊(duì)成功產(chǎn)生650 as的單個(gè)脈沖后，研究者們一直致力于如何產(chǎn)生更短脈寬的阿秒脈沖，以提高時(shí)間分辨能力。例如，2006年，M. Nisoli等人采用周期量級(jí)激光結(jié)合偏振門技術(shù)，成功制備出脈寬縮短至130 as的孤立脈沖[26]。2012年，中佛羅里達(dá)大學(xué)的Z. Chang等人通過(guò)調(diào)節(jié)高次諧波過(guò)程中的相位失配，利用鋯箔的負(fù)色散補(bǔ)償脈沖的正啁啾，實(shí)現(xiàn)對(duì)單阿秒脈沖的整形，脈寬可壓縮至67 as[27]。五年后，蘇黎世聯(lián)邦理工H. J. Wörner等人在實(shí)驗(yàn)上產(chǎn)生了小于50 as的孤立阿秒脈沖，刷新了最短阿秒脈沖的記錄[28]。

除了追求線偏振的阿秒激光脈沖，科學(xué)界也期待能產(chǎn)生高效的橢圓偏振、圓偏振阿秒脈沖。與線偏振激光場(chǎng)不同，在單色圓偏光場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下被電離的電子難以返回母核并與核發(fā)生復(fù)合，因此，使用單色圓偏光場(chǎng)并不能產(chǎn)生圓偏高次諧波。2015年，美國(guó)科羅拉多大學(xué)M. Murnane等人探究了雙色(ω+2ω)圓偏光場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的原子的電離過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在特定的光強(qiáng)比下，反向旋光場(chǎng)中的電子能夠返回母核并與核發(fā)生再散射[29，30]?；诖?，他們提出了使用雙色反向旋圓偏光場(chǎng)產(chǎn)生圓偏高次諧波的方案，并在實(shí)驗(yàn)上成功地產(chǎn)生了高效的圓偏高次諧波[31]。此外，KM實(shí)驗(yàn)室還提出了一種非共線的圓偏孤立阿秒脈沖產(chǎn)生方案，該方案將兩束非共線、同頻率的左旋圓偏光和右旋圓偏光聚焦在氣體靶上，利用焦點(diǎn)處合成光場(chǎng)的線偏振特性，驅(qū)動(dòng)發(fā)生高次諧波過(guò)程，然后通過(guò)諧波的遠(yuǎn)場(chǎng)傳播，成功制備了孤立的左旋和右旋圓偏阿秒脈沖[32]。最近，液體和固體中的高次諧波過(guò)程也受到了科學(xué)家的廣泛關(guān)注，不同于稀薄氣體，液體和固體材料中電子濃度高，諧波效率顯著提高[33—40]。因此，液體、固體高次諧波有望成為產(chǎn)生高強(qiáng)度阿秒光源的重要途徑。

03

阿秒光脈沖的應(yīng)用：從光電效應(yīng)到阿秒物理

自阿秒激光脈沖誕生以來(lái)，它就以其超高的時(shí)間、空間分辨率在原子尺度的電子超快動(dòng)力學(xué)探測(cè)上發(fā)揮了重要作用。目前，基于阿秒激光脈沖的時(shí)間分辨測(cè)量主要有三種方案：阿秒條紋相機(jī)、RABBITT技術(shù)，以及阿秒瞬態(tài)吸收光譜(attosecond transient absorption)[41]。前兩種方案十分類似，但又略有不同。具體而言，這兩種方法均是通過(guò)調(diào)整阿秒脈沖與近紅外光場(chǎng)的時(shí)間延遲來(lái)獲得電子的超快動(dòng)力學(xué)信息。然而前者是結(jié)合孤立阿秒脈沖與少周期的近紅外強(qiáng)激光場(chǎng)，而RABBITT則是結(jié)合阿秒脈沖串與多周期近紅外弱光場(chǎng)。瞬態(tài)吸收光譜則是一種純光學(xué)方案，它在飛秒超快動(dòng)力學(xué)的研究上得到了廣泛應(yīng)用，并于2010年被推廣至阿秒領(lǐng)域。其具體工作原理是：先用一束近紅外的泵浦光照射樣品，然后再用一束延時(shí)且能量可調(diào)的阿秒脈沖來(lái)探測(cè)樣品的透射譜。與前面兩種方法不同，瞬態(tài)吸收光譜探測(cè)的是光子，而非電離產(chǎn)生的電子或離子，因此具有較高的靈敏度。這種方法先后被用于觀測(cè)價(jià)電子波包的超快運(yùn)動(dòng)[41]以及自電離過(guò)程的實(shí)時(shí)成像[42]。

圖7 (a)基于阿秒條紋相機(jī)測(cè)量得到的2p態(tài)和2s態(tài)延時(shí)依賴的電子能譜。其中，能量較高的譜線對(duì)應(yīng)2p態(tài)的電子譜，能量較低的譜線對(duì)應(yīng)2s態(tài)的結(jié)果；(b)利用頻率分辨光學(xué)開(kāi)關(guān)(frequency resolved optical gating，F(xiàn)ROG)算法重構(gòu)的結(jié)果[44]

阿秒脈沖的典型應(yīng)用是研究電離過(guò)程中光電子發(fā)射的延時(shí)問(wèn)題。早期，受限于測(cè)量技術(shù)，光電效應(yīng)中“電子的出射是否是瞬時(shí)的”一直是個(gè)未解之謎。隨著阿秒激光脈沖的出現(xiàn)，這一謎團(tuán)有望得到解開(kāi)。2007年，Krausz與其合作者U. Heinzmann等人利用阿秒條紋相機(jī)技術(shù)測(cè)量了固體單晶鎢的電子發(fā)射延時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)4f價(jià)帶電子的發(fā)射相較于導(dǎo)帶電子滯后約100 as[43]。由于金屬表面對(duì)近紅外光場(chǎng)的屏蔽作用，電子只有到達(dá)固體表面才會(huì)受到紅外光場(chǎng)的作用。因此，他們將這一延時(shí)歸結(jié)于電子在固體中的傳輸效應(yīng)。緊接著，2010年，Krausz團(tuán)隊(duì)利用同樣的方法測(cè)量了氣體Ne原子2p態(tài)和2s態(tài)電子的發(fā)射延時(shí)[44]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，通過(guò)對(duì)比2p態(tài)和2s態(tài)電子的相位依賴的電子能譜，他們發(fā)現(xiàn)2p態(tài)電子的發(fā)射滯后于2s態(tài)約21 as。2011年，L’Huillier等人利用RABBITT技術(shù)測(cè)量了Ar原子3s態(tài)和3p態(tài)的單光子電離延時(shí)[45]，圖8(a)和(b)分別展示了3s態(tài)和3p態(tài)延時(shí)分辨的電子能譜，通過(guò)對(duì)比兩個(gè)電子態(tài)相同階次的邊帶結(jié)構(gòu)便可以得到能量依賴的相對(duì)電離延時(shí)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合理論計(jì)算，最終獲得了能量依賴的單光子電離延時(shí)(圖8(c))。這些突破性研究促使了對(duì)光電子發(fā)射延時(shí)的進(jìn)一步探索，時(shí)至今日，光電子發(fā)射延時(shí)仍是阿秒時(shí)間分辨測(cè)量的研究熱點(diǎn)之一。關(guān)于時(shí)間延時(shí)的測(cè)量也逐漸由單光子或少光子過(guò)程拓展到了強(qiáng)場(chǎng)多光子電離區(qū)[46—49]。

圖8 RABBITT實(shí)驗(yàn)測(cè)得3s態(tài)(a)和3p(b)態(tài)延時(shí)分辨的電子能譜；(c)從各階邊帶上提取的電離延時(shí)，左側(cè)實(shí)線和右側(cè)實(shí)線分別代表3s態(tài)和3p態(tài)的結(jié)果(左側(cè)虛線圖形是把3p態(tài)移動(dòng)了-13.5 eV)，將3s態(tài)和3p態(tài)的測(cè)量結(jié)果相減便可以消除諧波對(duì)延時(shí)的影響，從而獲得3s態(tài)和3p態(tài)在不同能量下的相對(duì)時(shí)間延時(shí)[45]

理論上，利用阿秒條紋相機(jī)和RABBITT技術(shù)得到的時(shí)間延時(shí)主要包括兩部分：一部分是吸收單個(gè)極紫外(XUV)光子電離所需要的時(shí)間，它與單光子躍遷矩陣元的相位相關(guān)聯(lián)，對(duì)應(yīng)于Wigner延時(shí)τW，即散射相位對(duì)電子能量的偏導(dǎo)。通常，τW攜帶了電離時(shí)的原子分子結(jié)構(gòu)和電子的散射信息。例如，通過(guò)研究共振電離與非共振電離的時(shí)間延遲，可以揭示激發(fā)態(tài)對(duì)光電子發(fā)射動(dòng)力學(xué)的影響[50]。另一部分則是測(cè)量過(guò)程引入的時(shí)間延時(shí)τcc，代表連續(xù)態(tài)電子吸收一個(gè)紅外光子造成的態(tài)間躍遷時(shí)間，與長(zhǎng)程庫(kù)侖勢(shì)有關(guān)，因此，通過(guò)τcc可間接獲得庫(kù)侖勢(shì)的信息。特別地，當(dāng)涉及到分子，角度依賴的τcc還可以反映出分子內(nèi)部的勢(shì)能環(huán)境。例如，2020年，德國(guó)慕尼黑大學(xué)的M. F. Kling等人利用阿秒條紋相機(jī)技術(shù)測(cè)量了碘乙烷的時(shí)間延時(shí)[51]。當(dāng)乙烷分子中的一個(gè)氫原子被碘原子替換后，電離出的電子主要源自碘原子的巨共振電離通道，那么角度分辨的時(shí)間延時(shí)也就反映了τcc的信息。進(jìn)一步地，通過(guò)分析τcc的角度依賴性，研究人員提取出碘乙烷的分子勢(shì)信息。2022年，華東師范大學(xué)的宮曉春教授測(cè)量了水團(tuán)簇的光電子發(fā)射延時(shí)，通過(guò)分析尺寸分辨的水團(tuán)簇的光電子發(fā)射延時(shí)，揭示了分子內(nèi)部環(huán)境，尤其是電子—空穴的空間離域?qū)怆娮影l(fā)射延時(shí)的影響[52]。

然而，并非只有使用阿秒脈沖才能實(shí)現(xiàn)阿秒時(shí)間分辨。2008年，蘇黎世聯(lián)邦理工的U. Keller等人基于少周期圓偏光場(chǎng)中的電離提出了阿秒角條紋技術(shù)(attosecond angular streaking)[53]。其工作原理是利用圓(橢)偏激光場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的光矢量，將不同時(shí)刻電離出的電子在動(dòng)量空間偏轉(zhuǎn)到不同的角度，那么在電子的末態(tài)動(dòng)量分布上，電子的發(fā)射角也就反映了電離時(shí)刻的信息，這種工作方式非常類似于時(shí)鐘的指針，因此又被稱為“阿秒鐘(attoclock)”技術(shù)。為了確定時(shí)間參考點(diǎn)(一般取激光電場(chǎng)峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻)，阿秒鐘一般選用少周期的激光脈沖做驅(qū)動(dòng)光，這也保證了電離時(shí)刻和電子發(fā)射角一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，而時(shí)鐘的精度則取決于圓偏光場(chǎng)的頻率。以800 nm少周期圓偏光場(chǎng)為例，激光電場(chǎng)矢量每旋轉(zhuǎn)1圈耗時(shí)2.7 fs，對(duì)應(yīng)于電子發(fā)射角旋轉(zhuǎn)360°，那么每度可達(dá)到的時(shí)間分辨約為7.5 as。盡管角條紋方案在2000年就被提出，但當(dāng)時(shí)的應(yīng)用焦點(diǎn)是少周期脈沖的CEP，并沒(méi)有考慮到角度帶來(lái)的時(shí)間分辨能力。直到2008年，阿秒鐘技術(shù)才將角度與時(shí)間分辨結(jié)合起來(lái)。

圖9 阿秒鐘實(shí)驗(yàn)[53] (a)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的氦離子在不同CEP下的二維動(dòng)量分布；(b)CEP依賴的氦離子發(fā)射角分布。其中，左圖為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，右圖為理論計(jì)算結(jié)果

自阿秒鐘技術(shù)提出之后，它就被廣泛應(yīng)用于隧穿延時(shí)和隧穿出口坐標(biāo)等問(wèn)題的研究。需要注意的是，由于阿秒鐘實(shí)驗(yàn)中使用了少周期激光脈沖，電子干涉效應(yīng)被極大地抑制，典型的動(dòng)量分布如圖9所示。眾所周知，電子干涉攜帶電離動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵信息，例如電子波包的幅度和相位，但提取這些信息在阿秒鐘實(shí)驗(yàn)中變得困難。為了解決這一難題，我們考慮將阿秒鐘技術(shù)與某種光電子干涉技術(shù)結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電子相位的時(shí)間分辨測(cè)量。基于此，我們課題組提出了“雙指針”阿秒鐘技術(shù)[54]。該技術(shù)利用雙色(ω+2ω)同向旋圓偏光場(chǎng)誘導(dǎo)電離，如圖10所示，其中強(qiáng)倍頻光2ω作為阿秒鐘的分針，而弱基頻光ω作為時(shí)針。以400 nm+800 nm雙色光場(chǎng)為例，400 nm激光電場(chǎng)矢量旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，800 nm只旋轉(zhuǎn)半圈，相應(yīng)地，800 nm的電場(chǎng)矢量將指向相反方向，這意味著相鄰400 nm光場(chǎng)周期電離出來(lái)的兩個(gè)電子波包將受到與800 nm相反的調(diào)控。通過(guò)分析角度分辨的電子干涉圖案，可提取電子波包角度分辨的幅度和相位信息。進(jìn)一步地，利用阿秒鐘角度—時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲得了電子波包振幅、相位等隨時(shí)間變化的信息。隨后，我們將這一技術(shù)拓展至雙色反向旋光場(chǎng)，并將其用于多光子區(qū)的自旋—軌道延時(shí)的測(cè)量[48]。

圖10 “雙指針”阿秒鐘工作原理[54] (a)雙色同向旋圓偏光場(chǎng)，其中藍(lán)色實(shí)線代表400 nm圓偏振激光場(chǎng)，紅色實(shí)線表示800 nm圓偏振激光場(chǎng)，藍(lán)色箭頭表示400 nm激光電場(chǎng)矢量，紅色箭頭表示800 nm激光電場(chǎng)矢量；(b)“雙指針”阿秒鐘空間構(gòu)型。對(duì)于電離時(shí)刻相差一個(gè)400 nm周期的兩個(gè)波包而言，它們將受到800 nm光場(chǎng)相反的調(diào)控，因此可以分別表示為ψ0e-iε和ψ0eiε，其中ε代表800 nm光場(chǎng)對(duì)電子波包的調(diào)控；(c)強(qiáng)場(chǎng)近似模型計(jì)算的單色和雙色圓偏振激光場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的電子動(dòng)量分布；(d)電子發(fā)射角為90°時(shí)的單色和雙色圓偏光場(chǎng)中電子的能譜

此外，我們還提出了一種改進(jìn)型的阿秒鐘技術(shù)[55]，即在基頻圓偏光場(chǎng)上疊加一束弱的倍頻線偏光場(chǎng)來(lái)對(duì)阿秒鐘進(jìn)行精確校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)上，通過(guò)測(cè)量和分析電子動(dòng)量譜的最概然發(fā)射角，我們首次在同一個(gè)理論框架下將延時(shí)隧穿和瞬時(shí)隧穿的圖像統(tǒng)一起來(lái)。最近，我們將“雙指針”阿秒鐘技術(shù)與新型的“相位之相位(phase-of-the-phase，POP)”光電子譜學(xué)方法相結(jié)合[56]，發(fā)現(xiàn)在這種光場(chǎng)構(gòu)型下，POP的相位直接對(duì)應(yīng)電子的隧穿時(shí)刻，從而明確了“相位”的物理意義。進(jìn)一步地，結(jié)合POP的對(duì)比度譜，勢(shì)壘下電子的動(dòng)力學(xué)信息被重構(gòu)出來(lái)，這些信息包括電子在勢(shì)壘下運(yùn)動(dòng)所需時(shí)間以及電子在勢(shì)壘下運(yùn)動(dòng)所積累的相位，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)勢(shì)壘下隧穿動(dòng)力學(xué)的全面刻畫。類似地，通過(guò)對(duì)飛秒激光脈沖的“時(shí)空整形”(改變光場(chǎng)偏振、相位、幅度等)，我們可以在阿秒時(shí)間尺度實(shí)現(xiàn)對(duì)電子動(dòng)力學(xué)的探測(cè)和操控。

除了以上這些方法，科學(xué)家們還巧妙地利用強(qiáng)場(chǎng)電離中的再散射過(guò)程，包括高次諧波產(chǎn)生過(guò)程以及光電子譜，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電子動(dòng)力學(xué)的超快探測(cè)。這種自探測(cè)手段在強(qiáng)場(chǎng)物理的超快探測(cè)上發(fā)揮了重要作用，最典型的例子便是利用光電子全息(photoelectron holography)實(shí)現(xiàn)對(duì)隧穿時(shí)刻的精準(zhǔn)測(cè)量[57，58]。

04

展 望

本文回顧了阿秒激光脈沖的產(chǎn)生、發(fā)展以及應(yīng)用，我們可以發(fā)現(xiàn)，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展總是呈螺旋式上升。激光技術(shù)的進(jìn)步為強(qiáng)場(chǎng)物理鋪路，而強(qiáng)場(chǎng)物理的研究又反哺于激光技術(shù)。阿秒脈沖的產(chǎn)生打開(kāi)了探索微觀電子世界的大門，是人類在理解、掌控物質(zhì)世界的征途中又一里程碑事件。目前，阿秒激光脈沖已是研究亞原子尺度物理規(guī)律的金鑰匙，并且在控制化學(xué)反應(yīng)、從亞原子尺度研究生命現(xiàn)象等方面有著重要的應(yīng)用前景。然而，科學(xué)的探索永無(wú)止境，人們期望能在更精微的時(shí)間和空間尺度上揭示物質(zhì)世界的奧秘。最近，德國(guó)法蘭克福大學(xué)R. Dörner團(tuán)隊(duì)在H2單光子雙電離實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，從H2分子不同中心出射的電子間存在247仄秒(zeptosecond，簡(jiǎn)記為zs，1 zs=10-21 s)的延時(shí)[59]，該延時(shí)實(shí)際上對(duì)應(yīng)了光從H2分子中H原子的一端穿越到另一端所需要的時(shí)間?？梢哉f(shuō)，阿秒物理方興未艾，仄秒物理正在路上。