阿秒光源的實際應用會帶來什么？阿秒脈沖原材料從氣體到固體

2023年度諾貝爾物理學獎表彰了阿秒脈沖產生的實驗研究工作，這是超快光學領域在20世紀末到21世紀初期的突破性進展。那么阿秒光源能應用到哪些領域呢？

阿秒光子學可以在超短時間尺度和納米分辨率上深入了解材料動力學。由于阿秒是原子、分子和固體內部電子運動的自然時間尺度，阿秒光子學的應用范圍包括物理學、化學、醫學、生命科學研究，甚至可能包括制造業——阿秒脈沖光子源可以引入全新的研究領域，但必須先開發出更明亮、更緊湊、更具成本效益的光子源。

雖然生成這一領域的光并不容易，且難以維持，但最終掌握這一技術將使相當多的市場受益，包括太赫茲級電子產品、用于顯微鏡或納米鏡的超快計量，以及控制量子過程的能力。

自 20 世紀 60 年代首次發明激光器以來，脈沖持續時間已經從微秒縮短至飛秒（1fs=10-15秒）。在2001年，超快光子學達到了一個重要的里程碑。激光物理學家首次突破了飛秒障礙，創造了阿秒脈沖（1as=10-18秒）——這是實驗室中產生的持續時間最短的光脈沖。

在過去的二十年里，阿秒科學仍主要停留在實驗室內，但目前隨著技術進步升級，高重復率的工業級超快和超高強度激光源正在開發。這些進步將最終推動阿秒科學走向實用，進入商業領域。

助力電子動力學發展

電子動力學引發了大多數化學反應，包括植物或太陽能電池對光的吸收?，F代電子產品的開關也是由電子動力學產生的。

一種新型金屬透鏡聚焦由高次諧波輻射產生的極紫外(EUV)阿秒脈沖的圖示。研究人員認為，這種金屬透鏡將把阿秒光譜技術轉變為顯微學技術。

雖然監視電子動態有用極多，但很少有技術能提供所需的阿秒級時間分辨率。

奧地利格拉茨技術大學實驗物理研究所研究員Marcus Ossiander說：“了解高效的光收集、構建更快的電子器件和實現室溫量子通信，所有這些我們都需要通過阿秒脈沖來實現?！?/p>

傳統電子技術由于處理器內部的熱量累積而面臨一些局限性。因為邏輯晶體管的開關只能單向進行，所以開啟開關需要通過耗散能量回到非導電狀態才能進一步處理信息。

格拉茨技術大學實驗物理學教授Martin Schultze說：“使用具有單飛秒或阿秒光學門信號的超快電子器件可以完全擺脫電子狀態切換時的限制。只要激發保持相干，有意識地雙向轉換就變得可行?！?/p>

Martin Schultze和他的同事們展示了幾種比現有電子學快約六個數量級的固態電子協議。他們還在探索無耗散運行的途徑。

目前的實驗在穩定性和數據采集時間方面仍存在問題。如果能開發出一種交鑰匙光源，以高重復率提供具有微焦耳能量的單周期光波形，就能解決這個問題。

當前的激光系統工作重復頻率在10赫茲至幾千赫茲之間。但是，為了縮短成像時間并使其適用于大多數實際應用，重復頻率必須大幅提高，達到數百千赫茲甚至更高。

這些光源產生于極紫外線（EUV）。但是，如果將它們設計在接近可見光范圍的中心波長上，就能更容易地用現有的光學設備進行處理。

“這將使我們能夠把阿秒光譜學和傳感技術從量子光學實驗室轉移到操作簡便和日?？捎玫膽煤凸I研究環境中?！盡artin Schultze說。

X射線自由電子激光器（XFELs）的起爆器部件中的超快相干X射線光的三維效果圖，該激光器由激光喚醒場產生的電子束作為種子。

阿秒脈沖原材料從氣體到固體

阿秒脈沖通常是通過高次諧波產生裝置來生成的，高次諧波產生裝置利用強烈的紅外激光脈沖與材料相互作用而產生強烈的非線性效應。這個過程將激光脈沖的一小部分能量轉化為高次諧波。

最初用于產生阿秒脈沖的材料主要是氣體。這包括一個噴嘴噴出的約0.1標準大氣壓（atm）的稀有氣體流，長度約為1毫米?；蛘呖梢允褂贸錆M氣體的容器，其中的原子數小于0.01 atm/cm3。

如今，高次諧波的產生得益于2018年諾貝爾獎得主Donna Strickland和Gerard Mourou的研究成果。在他們的獲獎研究中，他們使用啁啾脈沖放大技術拉伸、放大然后壓縮來自摻鈦藍寶石（Ti:sapphire）激光器的超短弱光脈沖，從而產生高光學強度。

如今，由于光纖激光器技術具有更好的可維護性和更低的成本，人們開始大力淘汰摻鈦寶石激光器。然而，這兩種類型的激光器在功能上是相似的。在光纖激光器中，光纖振蕩器首先產生弱光脈沖，然后通過光纖啁啾脈沖放大器進行放大。

Marcus Ossiander說：“當光脈沖的電場強度足以將束縛電子從原子中分離出來時（即，氣體>1014 W/cm2，或固體>1013 W/cm2）時，就可以通過高次諧波生成獲得阿秒脈沖序列，這些阿秒脈沖序列是時間間隔相等的極短光脈沖序列?！?/p>

在這個過程中，激光使材料離子化，并加速未束縛的電子。當每個電子最終與其母離子發生再碰撞和再結合時，會以單個高能光子的形式釋放動能。

這一過程會產生持續時間為阿秒級的光脈沖，因為電子的釋放只能發生在光脈沖振蕩電場的最大值處。

這也解釋了為什么該方法通常會產生一個脈沖序列。

“光脈沖中通常有許多電場最大值，每個電場最大值都能產生一個阿秒脈沖，”MarcusOssiander說，“如果想獲得單個阿秒脈沖，就必須使用非常短的光脈沖來驅動這一過程，或者使用具有復雜偏振或顏色的光脈沖?！?/p>

但是，自從發現高次諧波生成方法在固體中同樣適用之后，研究人員越來越多地不再使用簡單的惰性氣體，改而使用液晶、半導體和其他透明固體等更復雜的樣品來產生阿秒脈沖。

就固體而言，固體內部的帶間躍遷取代了氣體中的束間躍遷。電子在重新碰撞前會在固體晶格中移動，而不是在氣體原子周圍的自由空間中移動。

這種向更復雜樣品的轉變，有助于為下一代集成阿秒光源鋪平道路，因為這種光源耗電更少，而且不需要持續供應生成介質。

此外，這也是朝著更緊湊、運行成本更低的光源邁出的一步。

了解電子電路內部運作情況

掌握阿秒時間機制還為分子成像開辟了新的可能性。通過控制可見光或紅外驅動激光束或使用金屬透鏡來將軟x射線聚焦到衍射極限。

“通過相干衍射成像，x射線將允許通過相干成像降低到波長極限，”加拿大安大略省渥太華大學教授Paul Corkum說，“因此，我們可以將2D成像與場感測相結合?！?/p>

由于芯片上施加的電壓會干擾諧波的產生，因此施加電壓實際上會變得“可見”。

如今，Paul Corkum的工作主要集中在金屬樣品上，希望通過利用已經從原子中釋放出來的自由電子來提高效率。他還在探索利用阿秒源的高次諧波作為種子激發X射線激光躍遷。

“我們的目標是將阿秒技術對軟X射線的精確控制與增益介質相結合，以提供額外的能量，”Paul Corkum說，當前X射線光子能量的極限大約是第4000次諧波附近的1.3 keV。

“我相信錄制功能電路的影片將成為可能，”Paul Corkum說，“超快電子技術集合了小型化與快速化，阿秒技術也是如此?！?/p>

為了錄制電子電路內部運作情況的影片，必須在阿秒工具箱中增加空間分辨率。

由于在這一頻率范圍內不存在透明材料，人們正在開發新的光學概念，如金屬透鏡，以幫助實現這種成像能力。

哈佛大學工程與應用科學學院的Federico Capasso研究小組展示了一種金屬透鏡，該透鏡有可能在超紫外區實現高分辨率顯微鏡成像。這或許是該譜區的首個透射透鏡。

“在這項工作完成之前，只能使用笨重而復雜的光學器件，如反射鏡和菲涅爾區板，來實現超紫外聚焦?！盕edericoCapasso說?！敖饘偻哥R又平又薄，與傳統的折射光學器件相比，可以更容易地校正光學像差?！?/p>

阿秒電離輻射用于研究生物分子

利用高階諧波產生的阿秒脈沖可以通過紅外源的上變頻獲得更高的光子能量。這種方法產生的大多數阿秒脈沖都在超紫外或軟 X 射線范圍內。

這種電離輻射可用于研究生物分子，如DNA構建模塊腺嘌呤，以及研究它們對刺激的反應。

這正是德國電子同步加速器（DESY）阿秒科學部門的負責人Francesca Calegari正在探索的，他試圖通過極端的時間尺度來控制分子的解離。極短的光脈沖直接作用于電子的位置或分子內電子的分布，從而影響鍵的形成和斷裂。

“我堅信，阿秒技術通過在電子時間尺度上發揮作用，為控制化學反應開辟了新的令人興奮的可能性，”Francesca Calegari說，“化學家們往往忽略電子動態的作用，但是通過適當排列超短光脈沖，我們現在能夠在原子核開始移動之前，利用電子密度分布來控制電離誘導的分子解離?！?/p>

影響分子中電子密度分布直接關系到分子的反應性。利用這種反應性可以改善生物功能，例如光吸收。

例如，Francesca Calegari的團隊目前正在研究如何利用超短激光脈沖誘導的電子動態來控制手性分子的反應。手性識別在包括藥物工程、對映選擇催化和生物物理的許多領域都至關重要。

手性分子以兩種對映異構形式存在。換句話說，這兩種形式共享相同的化學式，但它們是彼此的鏡像，且具有極其不同的化學特性。在手性分子中啟動相干電子動態提供了一種控制分子手性反應的方法，從而在不改變手性異構的情況下控制分子的化學反應性。這將為實現電荷定向反應性開辟一條新途徑。

EUV與X射線激光器更緊湊

雖然總部位于德克薩斯州的TAU系統公司并未明確表示要生產阿秒脈沖源，但該公司的目標是開發緊湊型、高強度X射線自由電子激光器（XFELs），這可能為產生商業上可應用的阿秒脈沖提供潛在途徑。

“XFELs是當今亮度最高的X射線源，還允許我們調整X射線的波長/光子能量，”德克薩斯大學奧斯汀分校物理學教授兼TAU系統公司創始人Bj?rn Manuel Hegelich說，“目前的系統需要千米級的加速器，因此既龐大又昂貴。緊湊型激光驅動源有可能改變這種狀況?！?/p>

TAU系統公司 X 射線自由電子激光器（XFELs）與用戶終端站的三維概念效果圖。圖片顯示了在不久的將來，XFELs機器的緊湊程度。 除了為科學、工業和醫療應用提供更廣泛的高強度、相干EUV和X射線源之外，更緊湊的XFELs還可以為阿秒領域產生更具成本效益和實用性的脈沖源。

“我們可以在工業級機器中首次生成EUV和X射線脈沖，這些機器很容易在研究實驗室、醫療機構或生產車間中使用，”TAU系統公司業務開發副總裁Catalin Neacsu說，“有了硬X射線，就可以深入觀察金屬物體的內部，例如反應堆容器或發電廠的深層焊縫，以及運行中的金屬冶煉操作的壽命檢測、醫療植入物或飛機發動機部件等增材制造零件的無損質量檢驗?！?/p>

審核編輯：劉清