專題：聚焦2023年諾貝爾經濟學獎

轉自：科普中國

2023 年 10 月 3 日傍晚，2023 年諾貝爾物理學獎正式揭曉。三位科學家以阿秒激光技術奠基人的身份共同獲獎。

阿秒激光，顧名思義，是一種在阿秒（10^-18 秒）時間尺度上閃爍的激光。

為了理解它的特殊之處，我們首先需要了解什么是阿秒。

阿秒是時間的一個非常小的單位，它是一秒鐘的一百億億分之一。如果將一秒鐘比作一座高山，那么阿秒就像是山腳下的一粒沙。在這么短的時間里，即便是光，也差不多只能穿越一個原子大小的距離。

獲獎人肖像。圖源：諾貝爾獎官網

通過阿秒激光，科學家們可以像看電影的慢動作回放一樣，觀察電子在原子內部的運動，探究它們之間的交互作用。

阿秒激光是科學家們經過多年的研究和努力，利用非線性光學原理創造出的超快激光。它的出現，讓我們有了觀察和研究原子、分子甚至是電子動態的新窗口。

阿秒激光到底是一種怎樣的激光？

阿秒激光和普通激光相比，都有哪些不尋常的特性？其實，如果我們了解了激光的分類，就很容易明白阿秒激光在整個“激光家族”中到底處在什么樣的位置了。

按波長分類，激光可以分為紫外激光、可見光激光、紅外激光等。阿秒激光通常是在紫外至軟X射線波段的激光，換句話說，它的波長比一般的激光要短。

不同波長的激光。圖源：維基百科

按輸出模式分類，激光可分為連續波激光和脈沖激光。阿秒激光屬于脈沖激光，具有極短的脈沖持續時間。至于什么是連續波，什么是脈沖，我們可以用手電筒來進行比喻。長按開關讓手電一直發光就是持續波，而不停按下開關讓手電筒在亮和暗間交替變化就是脈沖。說白了，阿秒激光并不連續，在亮暗之間連續變化，只是這種變化的頻率快得驚人，它的閃爍可以在阿秒量級實現。

按功率分類，可以將激光分為低功率激光、中功率激光和高功率激光。阿秒激光因其極短的脈沖時間而能具有高峰值功率。（功率（P）的含義是單位時間內能量的強度（P=W/t），單個的阿秒激光脈沖可能能量（W）并不是特別大，但由于其持續時間（t）極短，因此峰值功率較高。）

按應用領域分類，可以將激光分為工業激光、醫療激光、科研激光等。阿秒激光主要應用于科學研究，特別是在物理和化學的研究中，用以探究微觀世界的快速動態過程。

從星火光程實驗室射向空中一點處的三條綠色激光束。圖源：維基百科

按激光介質分類，激光可以分為氣體激光、固體激光、液體激光和半導體激光。阿秒激光的產生通常依賴于氣體激光介質，并利用非線性光學效應產生高次諧波。

總結來說，阿秒激光是一種特殊的短波脈沖激光，它的特點是脈沖持續時間極短，通常在阿秒量級，因而能用于觀測和控制原子、分子和固體中電子的超快動態過程。

如何才能產生阿秒激光？

阿秒激光是非常前沿的技術，與一般的激光相比，它的產生條件相當苛刻。

我們在此先簡單描述阿秒激光的產生原理，再用生活中常見的景象來對其進行比喻說明。各位讀者看不懂物理原理的相關描述也不必著急放棄，后面的比喻一定可以為你繪出阿秒激光的基本物理圖像。

阿秒激光的產生過程主要依賴于高次諧波生成（HHG）技術。首先，一束高強度的飛秒（10^-15 秒）激光脈沖被聚焦到氣體靶材料上（飛秒激光其實和阿秒激光類似，都具有脈沖持續時間短且峰值功率高的特點）。在強激光場的作用下，氣體原子的電子會被拉離原子核，短暫進入自由電子狀態。隨著激光場的振蕩，這些電子會在一段時間后返回并重新與原子核結合，形成了新的高能量狀態。

在此過程中，電子會以極高的速度運動，當它們與原子核重新結合時，會釋放出其攜帶的額外能量，以高次諧波的形式發射出高能光子。

這些新產生的高能光子的頻率是原始激光頻率的整數倍，形成了高次諧波（諧波其實就是原始頻率整數倍的含義）。為了得到阿秒激光，需要再對這些高次諧波進行濾波和聚焦，選取特定的高次諧波，然后將它們集中到一點。如果需要，還可以通過脈沖壓縮技術來進一步減短脈沖的持續時間，從而得到阿秒級別的超短脈沖。

諾獎官方委員會對于諧波的說明。圖源：諾獎委員會官網

由此可見，阿秒激光的產生是一個精密而又復雜的過程，需要高度的技術水平和設備支持。接下來，我們嘗試用一個生活中的場景來類比描述阿秒激光產生的主要步驟。

高強度飛秒激光脈沖：想象你有一個超級強力的投石機，它能夠在瞬間把石頭以極高的速度投向湖面。高強度飛秒激光脈沖就扮演了投石機的角色。

氣體靶材：想象一處原本平靜的湖面，它扮演的就是氣體靶材的角色，其中的水滴代表著無數的氣體原子。將石頭射向湖面的過程，就好比利用高強度飛秒激光來轟擊氣體靶材。

電子的運動和再結合（物理學上的說法叫作躍遷）：當飛秒激光脈沖轟擊氣體靶材中的氣體原子，使得不少原子的外層電子暫時被激發至脫離原子核的狀態（形成等離子體）。當體系能量降低（既然是脈沖就有中斷的時候，此時能量就會降低），這些外層電子重新回歸原子核附近時，它們就會向外釋放高能光子。

我們用比喻來形容上述過程：當石頭（飛秒激光脈沖）砸入湖面（氣體靶材）時，它會把水滴（氣體原子）打散，水珠（外層電子）被彈出，然后在一段時間后又回落到湖面（氣體原子核）。

高次諧波產生：每當水珠回落到湖面時，它會激起一圈圈的波紋，這些波紋就像是阿秒激光的高次諧波，波紋的大小和頻率都比原來的波紋（原始飛秒激光脈沖）要高。在高次諧波生成的過程中，我們用一束非常強的激光（就像連續扔石頭的動作）照射在氣體上（就像湖面）。這束強激光會使氣體中的電子（就像波紋）被推離原子核，然后又被拉回來。

每次電子被拉回原子核時，它都會發出一束新的激光，這束新的激光的顏色（或者說頻率）比原來的激光更高（就像更大或更復雜的波紋圖案）。

濾波和聚焦：當我們把所有這些新產生的激光束合在一起，就得到了一束包含很多不同顏色（頻率或者說波長）的激光，而其中的一些激光就是阿秒激光。如果你只想看到特定大小和頻率的波紋，你可以用一個特殊的篩子來挑選出你想要的波紋，并用一個放大鏡來把這些波紋聚焦到一個特定的區域，這個過程就是濾波和聚焦。

脈沖壓縮（如果需要）：如果你想讓波紋傳播得更快更短，你可以通過一個特殊的裝置來加速波紋的傳播，使得每個波紋的傳播時間變得更短。

阿秒激光的產生是一個復雜的綜合作用過程，但如果我們將其分解，再對其加以具象化。其實可以發現它也并不是非常難于理解。

阿秒激光為什么能夠看清

瞬間發生的物理化學過程？

閃電俠是美式超級英雄漫畫中的一個形象，它具有無與倫比的運動速度，可以和光并肩奔跑。因此，閃電俠眼中的世界，其他一切事物都無比緩慢。在其他人一眨眼的時間里，閃電俠就可以拯救無數人的性命。

閃電俠的速度（運動的頻率）是如此之快，以至于我們的肉眼絕對無法捕捉到它的動作，但假如我們也擁有了閃電俠的特異功能，能夠和它并肩同步奔跑，是不是就能夠清晰地看到他的每一次擺臂和每一次抬腿？

這就好比我們擁有了閃電俠一般的過人速度（運動頻率）之后，就會發現其實閃電俠的世界好像變慢了。或者說，只有和閃電俠一樣快的頻率，才能看清楚像閃電俠一樣快的人的動作。

很多的物理化學過程，持續時間都在阿秒級別，換句話說，這些現象發生在一瞬間，以至于我們曾經無法清晰地去觀測這些過程。而阿秒激光的出現，讓我們擁有了和這些瞬間發生的事物同樣快的觀察和研究手段。

在原子和分子內部，電子的運動和狀態轉換可以在阿秒時間尺度上發生。例如，電子的躍遷、電子的電離和再結合過程等。類似的例子還有：化學反應的某些初期階段，如電子轉移；光與物質相互作用，例如光誘導的電子激發、電離和其他非線性光學效應；在量子系統中，相干和去相干過程可能會在阿秒時間尺度上進行，影響系統的量子態演化。

我們以光誘導的電子激發過程為例，看看研究人員是如何利用阿秒激光來觀察這種轉瞬即逝的電子動態過程的。

在阿秒激光研究氫分子（H2）的光電離過程的實驗中，一束阿秒激光脈沖射向氫分子，使得其中一個電子擺脫原子核的束縛，形成光電子。通過測量這個光電子的動能和發射角度，研究人員可以了解光電離過程的微觀機制，例如電子是如何從分子中被釋放出來的，以及電子和剩下的離子核之間的相互作用等。

該實驗不僅揭示了光誘導電子動態過程的微觀機制，也為探究其他分子系統和更復雜的光-物質相互作用過程提供了重要的實驗技術和理論基礎。

此外，阿秒激光也可用于研究快速化學反應的過程，例如觀測和控制化學反應的鍵斷裂和鍵形成過程，從而為理解和控制化學反應提供了新的可能，也為開發新材料和新技術提供了重要的信息。

結語

阿秒激光技術為我們打開了一個全新的窗口，使我們能夠在前所未有的時間尺度上研究和控制物質的微觀過程，進而揭示和理解物質的基本性質和行為規律。

阿秒激光是人類智慧的結晶，是我們探求自然、理解世界的有力工具。每一次阿秒激光脈沖的閃現，都是對自然奧秘的探尋，對未知領域的勇敢嘗試。隨著時間的推移，我們相信，阿秒激光技術將會在更多領域展現出它的價值，為人類的進步貢獻出它的力量。

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