阿秒激光介绍

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阿秒英文名是attosecond，相当于10的负18次秒，是非常小的时间单位。如果宇宙的年龄几百亿年，那么10的负18次相当于其中的1秒。产生和运用短持续时间的激光，是预测，观察和控制相应时间尺度的化学反应根本手段。
阿秒激光是指激光的持续时间只有阿秒的数量级，因此就可以通过阿秒脉冲可以控制阿秒时间尺度的物理过程和化学反应。由于阿秒技术的重要性如同第一台激光器被制造一样，能够在一个层次上提高人们对现有科学的认识；因此其必将给物理，化学领域带来一场革命。并且，阿秒激光在一定程度上标志着一个国家的尖端科技，因此当今世界上无论欧洲，美国还是日本都有优秀的研究所和大学在探索，研究阿秒激光。这充分说明研究阿秒激光的重要性。

图为阿秒激光实验
阿秒脉冲的由来
飞秒激光在最近十几年时间里的快速发展，为人类充分探索微观超快现象及研究强场物理提供了前所未见的实用手段和发展机遇。
例如,利用它极短的持续时间(1fs≈10-15s),人们可以观察到极快的化学反应过程,包括分子键的断裂与重组,分子与原子的振动过程等等;利用它极高的峰值功率(聚焦后的强度可达到1021W/cm2),人们可以开展极端条件下强场物理的研究,包括激光等离子体,X射线辐射源,热核反应快速点火等等.虽然迄今已在上述诸多领域取得了大量的研究成果,但人类探索自然无穷奥秘的热情驱动着科学家要找到比飞秒更短的闪光脉冲来帮助自己看到更快的反应过程。
正如每位摄影师都知道的那样,一个“闪光”可以冻结一个动作,如果动作发生的时间越短,则需要冻结它的“闪光”就相应地要求越短,否则图像就会出现虚影.飞秒脉冲作为光探针,对于观察发生在飞秒时间量级的化学反应来说非常合适,可以很容易地记录到各种分子与原子的动力学过程。
1999年诺贝尔化学奖得主AhmedZewail教授就是利用飞秒激光抽运-探测技术成功地控制了化学键的成键与断裂,观察到了从反应物到生成物的中间过程,从而获此殊荣.但是对于发生在阿秒量级(1as≈10-18s)的物理现象,如原子内电子的跃迁和弛豫过程,飞秒脉冲就显得无能为力了.为了研究阿秒时间量级的超快过程中所发生的瞬态现象,就需要探索产生阿秒脉冲的各种可能的技术和方法。

单个阿秒脉冲产生与测量的实验原理图
产生阿秒脉冲的原理方法
回顾一下从皮秒到飞秒技术的发展过程，我们可以看到有这么几个条件是必要的：
一是新型增益介质的出现。增益介质作为产生激光的三个必要条件之一，对于飞秒脉冲的产生来说还必须要求具有宽的增益带宽。根据傅里叶变换，增益带宽与持续时间成反比，只有足够的增益带宽才能保证飞秒输出目前通用的增益介质。
二是采用新的激光技术。飞秒脉冲产生利用的是新的锁模技术，其中克尔透镜锁模技术因为机制简单及操作方便已成为目前最常采用的飞秒激光脉冲产生技术。
三是谐振腔镜的镀膜工艺及腔内色散补偿技术的发展。只有在宽带膜及有效的高阶色散补偿的保证下，才能得到10fs以下的超短脉冲。但是当飞秒脉冲要向更短的阿秒迈进时，这种产生飞秒的方法却不再适用。原因很简单，主要是受到光振荡周期的限制。
众所周知，可见光的振荡周期大约是2fs，由于脉冲持续时间不可能短于一个光振荡周期，所以在可见光波段不可能产生短于飞秒的光脉冲，要想实现阿秒脉冲必须在高频区（如极紫外或软X射线区）想办法。

高次谐波产生的PaulCorkum模型
但是在高频区要想利用传统的光学谐振腔来产生紫外阿秒脉冲有如下困难：
一是没有紫外区激光介质
二是缺乏在紫外区镀宽带膜的成熟技术。既然激光介质和谐振腔这两个激光产生必备的条件都不具备，人们只能另外想办法来产生更短的阿秒脉冲。目前人们在产生阿秒脉冲的原理方法上作了大量的前沿探索工作，其中最有前途的方案是超短脉冲的谐波合成技术。
具体的可行技术有两种：
一种是利用超强超短脉冲与惰性气体的非线性效应产生高次谐波，或者受激拉曼散射从而得到阿秒脉冲的方法；
另一种是相位锁定光学参量或同步飞秒激光产生的可见光亚谐波合成技术。
最近，前一种方法，即高次谐波产生阿秒脉冲技技术有了突破性的进展。一个由奥地利维也纳技术大学、加拿大国家研究中心和德国比利斐尔德大学的研究人员组成的国际课题组，报道了他们产生的单个脉冲为650as的X射线脉。他们采用氖气作为非线性介质靶，用一束超高强度超短激光脉冲聚焦在靶上，从而获得了类似激光的X射线脉冲。
总结阿秒激光
由于阿秒技术尚不成熟，而且资料也很少，所以关于阿秒激光的描述还不严谨，毕竟在皮秒的领域我们都望尘莫及，更不要说比皮秒，飞秒还要高阶的阿秒了！