龚旗煌院士：阿秒光科技前沿

为什么要从激光讲起？因为阿秒光产生的基础是超强的脉冲激光技术。

人类对光的认识可以追溯到古希腊，当时的人认为光是太阳神的目光。中国最早描述光的人是墨子，他在公元前400年研究了光的直线传播和小孔成像。公元前280年，欧几里得写了第一本关于光学的书《反射光学》。之后随着人们对光的认识不断深入，在18世纪，光学这门学科终于诞生了。光学原理的研究又催生出了照相机、显微镜等各种仪器的应用。

在18、19世纪，关于“光的本质是什么”这一问题，科学家们有很大的争论。有的人认为它是粒子，有的人认为它是一种波。这个争论持续了100多年。直到1865年，麦克斯韦提出了著名的麦克斯韦方程组，论述了光的电磁传播理论，证明了光是一种电磁波，最终将光、电、磁统一起来了。

对光的研究也促进了量子论和量子力学的诞生，同时量子论、量子力学的诞生又反过来促进了光学的发展。1900年普朗克提出了量子的概念。1905年爱因斯坦提出了光子的概念，并且通过光电效应得到了验证。1917年爱因斯坦又从理论上提出了光的受激辐射，这是激光发明的理论基础。1954年汤斯(Charles Townes)首先在微波波段实现了受激辐射放大。1960年梅曼(Theodore Maiman)在可见光波段发明了第一台红宝石激光器，这是人类第一次获得一种完全新型的光——激光。

激光的出现带来了一场科技的革命。上个世纪60年代，高锟提出了利用光纤可以无损耗或者低损耗传输光信息，光纤通信也成为了信息时代的重要基础。还有一个重要成果是1985年由莫罗(Gérard Mourou)教授和他的学生提出的，他们利用啁啾放大技术使得激光能够提供极端的强场。除了强场，激光还有一个重要的应用场景是极端的时间分辨。泽维尔(Ahmed Zewail)教授利用飞秒激光研究化学分子的解离和合成过程，因此获得了1999年的诺贝尔化学奖（飞秒是10^-15秒）。

作为一种新光源，激光有很多优良的特性。首先是单色性，激光是单一波长，颜色非常纯。激光的方向性、指向性、相干性也都很好，还有超强、超快的特点。激光为科学研究带来了许多新的手段，比如说高精密的光谱测量、激光冷却原子产生玻色-爱因斯坦凝聚等等。

强光场可以产生非线性光学效应，一些（大型活动现场）灯光一会儿是红色，一会儿是绿色，一会儿又是蓝色，就是利用非线性光学的原理产生的。激光的极端高强度可以用来开展强场物理的研究，短脉冲激光可以用来研究超快动力学，利用超高强度和短波长激光可以实现核聚变和光核反应。可以看到，激光的诞生开拓了如此多的全新的研究领域。

正是因为光学的重要性，联合国教科文组织把2015年定为国际光年，后来又在2018年宣布，每年的5月16日定为国际光日。联合国教科文组织非常明确地指出，光和光基技术在健康、通信、经济、环境、社会等领域得到了广泛的应用，极大促进了世界经济发展和人类文明进步。例如，60%的医学检测是通过光学技术完成的。

激光出现以后，特别是近三十年来，差不多每隔两三年就有一个和光学相关的研究成果获得诺贝尔奖，比如说1999年的飞秒光学，2005年的光梳，2009年的光纤通信和CCD的发明，还有2012年单量子态的光场调控、2018年超短脉冲的放大、2023年的阿秒脉冲等等。

激光可以分为连续激光和脉冲激光。连续激光可以产生精准波长和稳定频率的光，在光谱学、精密测量等领域发挥重要作用。脉冲激光可以通过调Q、锁模等技术获得持续时间只有纳秒、皮秒甚至是飞秒的脉冲（纳秒是10^-9秒、皮秒是10^-12秒），现在我们在激光器上能够获得的最短光脉冲是4.5飞秒（10^-15秒）。

时间是物理学或者说科学研究永恒的主题。人的寿命以年为单位，芯片内部执行一次指令的时间在纳秒量级，分子的电离时间大概在皮秒量级，一个原子里的电子绕原子核运动的周期大约是100阿秒。可以看到，不同的物理过程需要用不同的时间尺度去衡量。

激光提供了一种能够超越电子器件时间分辨能力的测量工具。科学家一直在追求超短时间的脉冲激光，以此来研究在极短时间内发生的物理过程。之前提到获得1999年诺贝尔化学奖的泽维尔教授就是利用飞秒脉冲激光观察到化学反应中化学键的形成和断裂。极短脉冲光的产生首先需要极强的激光场。要让飞秒脉冲的峰值功率更强，这就要提到2018年诺贝尔物理学奖得主莫罗的研究工作。原子和电子的结合是很稳定的，能量大概是每平方厘米10¹⁵瓦，而用莫罗教授提出的激光放大技术可以得到的功率是每平方厘米10²¹或10²²瓦，比原子内部的能量高出了6~7个量级，提供了极端的强场。

现在看来，莫罗教授的技术实际上是非常简单的。激光脉冲里含有不同的频率分量，把这些频率分量用一对光栅展开，在时间上把它拉宽了，降低了功率，然后再去将功率放大，这样就不会破坏光路中用到的材料和器件。放大得到一个能量很高的脉冲，再反过来压缩回去，就产生了一个超强的光脉冲。用一个非常简单的光学原理实现了新的物理极限。

基于这一技术的诞生，欧洲对极端光的研究进行了大布局，比如说2012年欧盟在捷克、罗马尼亚和匈牙利三个国家分别建立了不同研究方向的极端光设施，有研究核物理的，有研究阿秒光的，还有用超强激光产生束流的。

2023年的诺贝尔物理学奖颁发给皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）、费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）和安妮•卢利尔（Anne L’Huillier）三位科学家，表彰他们在实验中产生并观测到了阿秒光脉冲，开拓了电子动力学的一个全新领域。这三位科学家的贡献也是非常明确的：安妮第一次用强激光和气体相互作用产生了高度非线性的高次谐波，发现光谱有一条连续的平台型斜坡，提出了高次谐波可以用来产生阿秒脉冲。阿戈斯蒂尼在实验上第一次观察到阿秒的脉冲串、第一次获得了250阿秒的光脉冲。克劳斯是马克思-普朗克研究所的所长，他用飞秒激光和气体相互作用，产生单一脉冲的阿秒激光，脉宽是650阿秒。

在光学界，大家都认为还有一位科学家也应该获得诺贝尔奖，他就是保罗·库坎(Paul Corkum)。他的贡献是在理论上对高次谐波的产生过程进行了描述，提出了三步模型。库坎获得了2022年的沃尔夫物理学奖，这个奖项一般认为是诺贝尔奖的前奏，但是很遗憾一届诺贝尔物理学奖得主最多就三位，但是他对阿秒研究也做出了非常大的贡献。

阿秒光科技——突破时间测量极限

阿秒光脉冲诞生之后，提供了一把测量极限时间的最短的尺子，我们正式进入了阿秒的科学时代。

回顾一下，激光从诞生以来一直是往极端的时间条件推进。调Q和锁模技术分别实现了纳秒级和皮秒级的激光脉冲，新一代的锁模技术可以产生飞秒脉冲，再后来就是用高次谐波产生阿秒脉冲。阿秒脉冲在2001年就已经发明了，但是因为高次谐波的产生是一个高度非线性过程，必须在真空中实现，获得单脉冲非常困难，所以近20年来的发展比较缓慢，直到2017年脉冲宽度终于突破了50阿秒。值得高兴的是，中国的科学家也在2023年获得了50阿秒的光脉冲。

阿秒脉冲的时间这么短，它到底能干什么？目前来看，它给人类提供了一把最短的尺子，让我们能够观察微观物质的变化过程。下面我们就来介绍几个阿秒分辨测量的前沿研究。

光电效应是量子力学中最基本的物理过程之一，光电离是否需要时间一直是研究热点，而阿秒激光就能提供一个精确的时间点。克劳斯团队将孤立的阿秒光脉冲和光电子条纹相机技术相结合，发现氖原子里2s轨道电子和2p轨道电子的发射时间相差21个阿秒。这也就说明了光电效应还是需要一定的反应时间，之前因为反应速度太快了看不到，现在有阿秒激光就可以观察到几十阿秒的时间过程。

2013年，德国和美国的科学家合作，利用阿秒的瞬态吸收过程研究二氧化硅介电材料中电子结构和极化率的变化，并提出在这个基础上设计处理频率达到10¹⁵赫兹的电子开关器件，运行速度是现有电子开关的数万倍。

2020年，苏黎世联邦理工学院的研究人员基于阿秒时间分辨光电子能谱的技术，发现与在气相中相比，液相中水的光电发射有大约50～70阿秒的时间延迟，说明溶剂化效应对光电离会产生影响。

虽然人类已经获得了阿秒光，但是阿秒脉冲的能量和稳定性都不高，阿秒技术的实际应用还不太多，暂时只是用于观察一些物理过程，真正往前推进发展还有待更多的努力。

我国在阿秒光科技方面起步较早，在上个世纪就已经开展了阿秒脉冲的研究，参与的单位有中国科学院物理研究所、国防科学技术大学、华中科技大学等。国内在阿秒领域的进展大约和国际相差几年，一直在努力追赶。

我国科学家在2013年首次获得了孤立阿秒光脉冲，脉宽是160阿秒，在2023年又获得了国际领先的51(±4)阿秒的脉冲。应该说在阿秒脉冲技术相关研究方面，中国是可以跟国际发达国家进行对话的。

我国在阿秒科技上进行了很多布局，比如说国家自然科学基金委重大研究计划“新型光场调控物理及应用”中就明确把阿秒技术的研究作为重点。该项目在2017年立项时提了两个指标，要产生50阿秒的脉冲，还要达到100纳焦的高能量。两个目标在前年验收的时候都已经实现了。

在设施建设方面，先进阿秒激光设施已经纳入国家“十四五”规划，我们正分别在东莞和西安建设先进的阿秒光源。相信经过几年的努力，这些国家大科学装置会为科学界提供领先的研究平台。

国家自然科学基金委员会在重大科研仪器研制方面也布局了极端光学的研究，提出将超快激光和光电子显微镜两者结合来实现时空的超高分辨测量，其中超快可以达到飞秒量级，光电子能谱可以达到纳米量级，从而实现飞秒-纳米的时空高分辨。相关的设施已经建成验收并投入使用。

我国科学家还和法国等国的科学家合作，共同提出了激光驱动多束流的大科学设施，以激光集成方式把电子、离子、X光光子、伽玛光子、超快光子5种束流在同一个设施上产生，相当于有5个光源可以相互作用，为科学研究提供全新的范式。

我国产生的51(±4)阿秒的超短脉冲，是基于在飞秒激光、真空和测量系统等方面做了巨大的努力，难度非常大。另一方面，我国科学家也提出利用飞秒激光来进行阿秒分辨，通过双光束的干涉调控，可以非常准确地获取电子在隧穿过程中的相位。同时又进一步发展了阿秒钟技术，利用飞秒激光脉冲准确测量了电子Wigner隧穿时间，精度能达到5阿秒的量级。由于不同激光场对电子势能的压制是不一样的，所以隧穿时间也会随场强变化，激光场越强，隧穿时间越短。比如说对于氩原子，当激光功率密度为每平方厘米170太瓦时，隧穿时间为138阿秒；当激光功率密度增加到每平方厘米790太瓦，隧穿时间减小到79阿秒。科学家通过这个原理，实现了用飞秒技术来看阿秒量级的动力学过程。

谢谢大家。