閱讀 | 訂閱
閱讀 | 訂閱
技術(shù)前沿

一篇你不能錯過的科普|關(guān)于阿秒

激光制造網(wǎng) 來源:中國科學(xué)院西安光機所2023-10-23 我要評論(0 )   

先秦時期老莊之學(xué)的重要思想“至大無外,至小無內(nèi)”——闡明了古人對世界的認(rèn)知,認(rèn)為宇宙無限大而微小粒子無限小??萍及l(fā)展至今,人類對這兩個維度的探索從未停止腳步...

先秦時期老莊之學(xué)的重要思想“至大無外,至小無內(nèi)”——闡明了古人對世界的認(rèn)知,認(rèn)為宇宙無限大而微小粒子無限小??萍及l(fā)展至今,人類對這兩個維度的探索從未停止腳步,并想掌握世界萬物的運動規(guī)律。



如今,對于微觀世界,空間分辨率已經(jīng)可以達到原子分子尺度,其對應(yīng)的運動特征時間也達到了超快的飛秒(femtosecond,10-15秒)量級,目前比較成熟的飛秒脈沖激光已經(jīng)能夠探測分子間運動,使其不再神秘。

但分子內(nèi)部的電子運動,其動力學(xué)過程發(fā)生在更快的阿秒(attosecond,10-18秒)量級。

電子早在19世紀(jì)便由劍橋大學(xué)的約瑟夫·約翰·湯姆森在實驗中發(fā)現(xiàn),距今百余年,由于運動速度過快,其運動過程仍無法直接探測,長期以來只能以電子云的概念來描述它在原子核外空間某處出現(xiàn)的幾率大小。電子云模型能夠很好地解釋化學(xué)鍵的形成與斷裂、原子吸收與發(fā)射光子的光譜以及原子的性質(zhì)等現(xiàn)象,并且符合量子力學(xué)原理,但在解釋很多微觀粒子運動規(guī)律時出現(xiàn)了障礙,需要發(fā)展更為準(zhǔn)確的模型。


今年,諾貝爾物理學(xué)獎頒發(fā)給“阿秒激光”,其原由為促進了物質(zhì)中電子動力學(xué)的研究,阿秒激光的研制成功,首次將探索世界的時間尺度推進到阿秒量級,人類第一次可能擁有直接測量電子動力學(xué)行為的工具。

阿秒是什么概念?

阿秒僅僅為10-18秒,如果說光從地球跑到月球的時間大約需要1秒,而在1阿秒時間內(nèi),光只能傳輸0.3納米,約為頭發(fā)絲直徑的二十萬分之一。



今年獲獎的三位科學(xué)家,美國科學(xué)家皮埃爾?阿戈斯蒂尼(Pierre Agostini),匈牙利科學(xué)家費倫茨·克勞斯(Ferenc Krausz)和法國科學(xué)家安妮?呂利耶(Anne L’Huillier)在實驗上為阿秒激光的產(chǎn)生做出了巨大貢獻。



女科學(xué)家安妮?呂利耶在博士期間就一直在研究多光子電離效應(yīng),并在1988年,30歲之前就發(fā)表了獲得諾貝爾獎的關(guān)鍵論文,發(fā)現(xiàn)了強激光照射惰性氣體產(chǎn)生高次諧波的現(xiàn)象,并獲得了高次諧波典型的頻譜結(jié)構(gòu),其譜寬已經(jīng)能夠支持阿秒量級的脈沖,為激光脈沖突破至阿秒提供了先決性條件。

在高次諧波發(fā)展十余年后,皮埃爾?阿戈斯蒂尼于2001年利用高次諧波并結(jié)合RABBIT技術(shù)(雙光子干涉的阿秒拍頻重構(gòu),reconstruction of attosecond beating by interference of two-photon transitions),實現(xiàn)了一系列脈沖間距為1.35 fs、脈沖寬度僅為250 as阿秒脈沖的產(chǎn)生與測量,稱為阿秒脈沖串。

而在同一年,費倫茨·克勞斯利用更短的飛秒驅(qū)動光來產(chǎn)生高次諧波連續(xù)譜,并利用阿秒條紋相機技術(shù)首次產(chǎn)生并測量了孤立的阿秒脈沖。

至此,阿秒激光時代正式來臨。

圖:高次諧波、阿秒脈沖串與阿秒脈沖之間的關(guān)系


國內(nèi)外進展——阿秒研究的前世今生


諾貝爾獎只頒給了上述三位科學(xué)家,但仍有不少學(xué)者在初期做出貢獻。 

早在1987年,A. McPherson等人在實驗上測量了惰性氣體中的高次諧波,是最早公開發(fā)表高次諧波現(xiàn)象的論文。同年,M. Yu. Kuchiev等提出了“原子天線”的理論解釋,認(rèn)為電子在母核附近往返振蕩發(fā)射諧波,其物理圖像類似于天線。

1992年,J. L. Krause,K. J. Schafer和K. C. Kulander提出了高次諧波過程的重碰撞圖像,稱之為simple-man模型,考慮電子在激光場中的經(jīng)典運動,并由此得出諧波的最高截止能量。

2022年獲得沃爾夫物理學(xué)獎的加拿大科學(xué)家Paul Corkum在1993年提出了半經(jīng)典的三步模型,在一個經(jīng)典的重碰撞圖像中,高次諧波過程分為以下三步:首先,電子隧穿離開由原子庫侖場和激光場共同形成的勢壘,隨后電子在激光場作用下加速并獲得能量。隨著激光場方向的改變,電子有一定機會返回母核并被俘獲,以高能光子的方式釋放出多余的能量產(chǎn)生諧波,三步模型很直觀地描述了高次諧波的產(chǎn)生過程,而Corkum也成為了本次諾貝爾物理學(xué)獎的最大遺珠。

對高次諧波過程的定量描述,則需要借助量子力學(xué)?;趶妶鼋频脑敿?xì)量子理論于1994年由M. Lewenstein等人給出,通常被稱作強場近似或者Lewenstein模型。實際上,強場近似的思想來自于早先對強激光場中原子和固體電離的研究,在1965年由L. Keldysh首次提出,隨后被F. H. M. Faisal和H. R. Reiss進行了拓展。直到今天,Keldysh參數(shù)都是阿秒領(lǐng)域研究人員非常熟悉的一個重要參數(shù),用以判斷激光參數(shù)是否能夠達到阿秒脈沖產(chǎn)生的要求,不幸的是L. Keldysh已于2016年去世。Lewenstein模型完全從量子力學(xué)出發(fā),得到了前述三個過程的對應(yīng)理論描述,驗證并夯實了三步模型的理論基礎(chǔ)。至此,該模型被廣泛接受并得到了充分發(fā)展,成為產(chǎn)生阿秒脈沖的高次諧波過程的標(biāo)準(zhǔn)模型。



我國阿秒激光的研究總體起步較晚,一直處于追趕狀態(tài),但近些年有顯著進展,相關(guān)研究也進入了國際先進水平。 


2013年,中國科學(xué)院物理研究所實現(xiàn)了160 as的孤立阿秒脈沖。此后,華中科技大學(xué)和國防科技大學(xué)在2020年相繼實現(xiàn)了272 as、88 as的孤立阿秒脈沖。

2019年,中國科學(xué)院西安光機所自主研制了高能量分辨阿秒條紋相機,產(chǎn)生和測量了159 as的孤立阿秒脈沖,并在2021年產(chǎn)生了更短的75 as孤立阿秒光脈沖,刷新了國內(nèi)的阿秒脈沖紀(jì)錄。

此外,國內(nèi)研究機構(gòu)包括中國科學(xué)院上海光機所、中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院、北京大學(xué)、華東師范大學(xué)、吉林大學(xué)、南京理工大學(xué)、中國科學(xué)院近代物理研究所、西北師范大學(xué)等在阿秒激光理論以及應(yīng)用方面都有重要成果報道。

當(dāng)前,超快激光技術(shù)正朝著更高脈沖能量、更高平均功率、更窄脈沖寬度的目標(biāo)發(fā)展。未來,激光脈沖寬度將從阿秒(as)縮短至仄秒(zs),光子能量將推進至硬X射線和伽馬射線波段。此外,阿秒激光能量太低,是限制其應(yīng)用的最主要原因,在可預(yù)測的未來,超快激光領(lǐng)域再次獲諾貝爾獎將從高能量阿秒新機理、阿秒應(yīng)用以及下一個量級的仄秒脈沖中產(chǎn)生。

2021年《Science》發(fā)布的“全世界最前沿的125個科學(xué)問題”中有十余個問題需要通過超快科學(xué)探索解決。例如,復(fù)雜激光場中的多體量子相互作用;超導(dǎo)機制--電子庫珀對的形成;太陽能電池的光轉(zhuǎn)換--電荷轉(zhuǎn)移激子解離過程;生物分子之間的電荷轉(zhuǎn)移過程;實現(xiàn)PHz開關(guān),將現(xiàn)有的電路響應(yīng)速度提高100000倍以上等,上述問題都直接與電子動力學(xué)相關(guān)。

阿秒脈沖將有望在多個科學(xué)和應(yīng)用研究領(lǐng)域涌現(xiàn)出眾多原始創(chuàng)新。當(dāng)前,國際上已經(jīng)開始阿秒激光設(shè)施的建設(shè)和競爭,由諾貝爾物理獎獲得者Gérard Mourou等人倡導(dǎo),歐盟率先開展了歐洲極端光設(shè)施-阿秒光源(ELI-ALPS)的建設(shè),并推動了歐洲相關(guān)激光公司的技術(shù)跨代升級。

轉(zhuǎn)載請注明出處。

激光應(yīng)用激光切割焊接清洗
免責(zé)聲明

① 凡本網(wǎng)未注明其他出處的作品,版權(quán)均屬于激光制造網(wǎng),未經(jīng)本網(wǎng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載、摘編或利用其它方式使用。獲本網(wǎng)授權(quán)使用作品的,應(yīng)在授權(quán)范圍內(nèi)使 用,并注明"來源:激光制造網(wǎng)”。違反上述聲明者,本網(wǎng)將追究其相關(guān)責(zé)任。
② 凡本網(wǎng)注明其他來源的作品及圖片,均轉(zhuǎn)載自其它媒體,轉(zhuǎn)載目的在于傳遞更多信息,并不代表本媒贊同其觀點和對其真實性負(fù)責(zé),版權(quán)歸原作者所有,如有侵權(quán)請聯(lián)系我們刪除。
③ 任何單位或個人認(rèn)為本網(wǎng)內(nèi)容可能涉嫌侵犯其合法權(quán)益,請及時向本網(wǎng)提出書面權(quán)利通知,并提供身份證明、權(quán)屬證明、具體鏈接(URL)及詳細(xì)侵權(quán)情況證明。本網(wǎng)在收到上述法律文件后,將會依法盡快移除相關(guān)涉嫌侵權(quán)的內(nèi)容。

網(wǎng)友點評
0相關(guān)評論
精彩導(dǎo)讀