阿秒脈沖激光是指持續(xù)時間為阿秒量級(1×10^-18 秒)的超短激光脈沖。電子圍繞原子核運動的時間尺度為阿秒量級，研究這種決定物質(zhì)特性的電子動力學(xué)過程，需要由阿秒脈沖激光技術(shù)來實現(xiàn)。2016年，德國馬普光學(xué)研究所首次觀測到阿秒量級內(nèi)固體材料中激光誘導(dǎo)電子的動力學(xué)過程，并通過模擬證明了通過控制激光光場來解決電子材料發(fā)熱問題的可行性。

 圖1 不同運動過程的時間尺度

阿秒脈沖激光的出現(xiàn)被認(rèn)為是激光科學(xué)歷史上最重要的里程碑之一，應(yīng)用前景難以估量，目前已經(jīng)成為物理、化學(xué)、生物等眾多領(lǐng)域重要的研究手段，成功用于測量和控制內(nèi)殼層束縛電子運動等過程，將人們研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的視野從分子拓展到原子內(nèi)部。阿秒脈沖激光技術(shù)的發(fā)展，引發(fā)了X射線、自由電子激光、可控高溫超導(dǎo)、超高分辨成像、電子信息處理等領(lǐng)域科學(xué)與技術(shù)層面研究的諸多重大突破。鑒于其巨大的潛在應(yīng)用價值，美國、歐洲、日本等將阿秒激光技術(shù)列為未來10年激光科學(xué)發(fā)展最重要的發(fā)展方向之一。
 

目前阿秒脈沖激光主要是由飛秒（10^-15秒）激光（也稱超快超強激光）作用于惰性氣體而產(chǎn)生的高次諧波所形成的。產(chǎn)生的過程為：在飛秒脈沖激光的激發(fā)下，惰性氣體元素的電子以隧穿電離的方式離開母核并在強激光場中被加速，最后在激光電場反向時，以一定的幾率概率與母核碰撞，從而將從激光場獲得的能量以X射線光子的形式輻射出來。所輻射的X射線是入射激光脈沖的高次諧波，它繼承了入射激光脈沖的光學(xué)性質(zhì)，發(fā)散角很小，具有很好的相干性和空間相干性。

圖2 利用高次諧波產(chǎn)生阿秒脈沖激光過程示意圖

脈寬紀(jì)錄不斷被刷新。2001年，由當(dāng)時在奧地利維也納技術(shù)大學(xué)的費倫茨·克勞茲教授領(lǐng)導(dǎo)的國際研究小組利用上述原理首次獲得脈寬650阿秒激光；2006年，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的亞歷山大和威廉等人利用級聯(lián)自由電子激光器產(chǎn)生的飛秒激光脈沖激發(fā)惰性氣體，產(chǎn)生了脈寬為100阿秒超短激光脈沖；2012年，美國中佛羅里達(dá)大學(xué)趙昆等人使用雙偏振門控方法，將飛秒激光脈沖激發(fā)氖氣形成高次諧波，獲得了67阿秒的超短激光脈沖；2017年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院托馬斯·高姆尼茨（Thomas Gaumnitz）進(jìn)一步將脈沖時間縮短到43阿秒。

阿秒激光誘導(dǎo)電子振蕩技術(shù)獲得突破。2013年，德國馬普光學(xué)研究所阿秒物理實驗室發(fā)現(xiàn)，超高峰值功率的超短激光脈沖可以改變絕緣材料電特性，在絕緣體中引發(fā)超快振蕩的電場和電流，電場和電流的振蕩與入射激光的“開”與“關(guān)”直接相關(guān)，進(jìn)而說明絕緣體導(dǎo)電性的轉(zhuǎn)換是在阿秒級時間內(nèi)完成的，該實驗證明材料的基本導(dǎo)電特性能夠以光場的振蕩速度來增加或減小。

人工控制電子技術(shù)取得重大進(jìn)展。上述現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為研制處理頻率達(dá)拍赫茲（1015赫茲）量級的電子開關(guān)器件奠定了基礎(chǔ)，這個頻率是當(dāng)前的電子開關(guān)處理頻率的數(shù)萬倍。2016年，馬普光學(xué)研究所聯(lián)合美國佐治亞州立大學(xué)、日本筑波大學(xué)等組成國際研究團(tuán)隊，將只包含一個強振蕩脈沖的激光作用于二氧化硅固體材料（脈寬時間內(nèi)電子只能向左和向右振蕩一次），然后使用脈寬短于100阿秒的光學(xué)手段測量驅(qū)動光場的空間電場結(jié)構(gòu)，從而首次實現(xiàn)對固體材料中電子動力學(xué)過程的探測。研究發(fā)現(xiàn)：電子在經(jīng)歷幾十個阿秒之后與入射激光場的相互作用，這個過程的延遲時間決定了激光場與材料之間交換的能量。模擬計算表明，通過調(diào)整光場的振幅可以優(yōu)化激光與材料之間交換的能量，從而證明了通過控制激光脈沖優(yōu)化超快信號處理過程中的能量交換，使電子器件的發(fā)熱量達(dá)到最低的理論可行性。
 

對生化反應(yīng)實現(xiàn)量子相干控制。量子相干控制的基本思想是：脈沖寬度足夠短，入射光與原子相互作用極快，不會受到外界環(huán)境的影響，這樣，就可以通過改變激光脈沖，控制反應(yīng)按照特定的方式進(jìn)行，得到預(yù)期的效果。在生物、化學(xué)反應(yīng)中，分子角動量起到非常重要的作用。但分子角動量的空間分布是隨機的，控制角動量極具挑戰(zhàn)。脈沖寬度為飛秒至阿秒量級的超快激光，可對生化反應(yīng)過程進(jìn)行全面控制，從而得到預(yù)期的結(jié)果。比如在生命科學(xué)中，阿秒脈沖激光將最終從根本上（電子運動方式的層面）幫助人們弄清楚疾病產(chǎn)生的微觀起因、形成和發(fā)展。

可大幅提升電子器件運行速度?，F(xiàn)代電子學(xué)無論在時間還是空間上都在朝著原子量級推進(jìn)，這就意味著有有望在原子尺度內(nèi)制作電路，并通過控制光電場開關(guān)電流。阿秒脈沖激光技術(shù)為研制拍赫茲的超高頻電子器件開辟了道路，可將電子器件的運行速度提高幾個數(shù)量級且有望解決電子器件發(fā)熱嚴(yán)重的問題，可能成為新一輪電子信息技術(shù)革命的推動力。

有望助力能源革命。在能源領(lǐng)域，可利用阿秒脈沖激光研究新材料中的電子和空穴對之間的電荷轉(zhuǎn)移機制，控制電子的轉(zhuǎn)移過程，推進(jìn)超導(dǎo)技術(shù)研究，提升人工光合作用和太陽能電池的效率。