1960 年,美国休斯飞机公司下属休斯实验室的物理学家梅曼(Theodore Harold "Ted" Maiman,1927– 2007)搭建了世界上第一个相干光源—一台闪光灯泵浦的红宝石(掺铬的三氧化二铝晶体)激光器,输出波长是 694.3 纳米。这是一台最简单的平行平面腔单频(单色)激光,脉冲宽度在微秒量级。这台激光器的重要性在于它是一种基于完全不同物理过程的崭新光源,其相干性是爱迪生的钨丝灯泡所不具备的。尽管在刚出现时,激光被称为“寻找应用的工具”(a solution looking for a problem),但不久就变得无处不在了,从科研、工业和军事到通讯、娱乐和艺术,以及我们的日常生活—在你的影碟机里就有至少一台激光器、超市收款台扫商品条码的机器也是激光。
这其实也不容易,波长越短对应光子能量就越高,常见的原子内电子或振动能级已经不能做为激光的跃迁能级而满足要求了,同时例如等离子体或摆动器中的高能电子做为光放大介质又存在难度高、价格更高的问题。因此解决方案仍然要依靠现有的超快激光。随着激光脉冲能量的提高,再经过光学聚焦,焦点处的功率密度,也就是电场强度就逐渐提高到可以和原子内部束缚电子的库仑场相比拟了。在这种条件下,电子就可以挣脱原子核的束缚进入自由态,就是电离了。在激光刚刚问世不久的 1963 年,美国俄亥俄州立大学的 E. K. Damon 和 R. G. Tomlinson 以及联合飞行器实验室的 R. G. Meyerand,Jr. 和 A. F. Haught 就分别利用红宝石激光器进行了气体电离的实验。1965 年苏联科学院列别捷夫物理研究所的L. V. Keldysh 提出了隧穿电离的理论。隧穿是说电子好像穿过隧道一样从原子里跑出来。1979 年法国赛克勒中心的 P. Agostini 等人观察到了阈上电离现象。阈上电离是指电离出来的电子的能量相当于几倍至几十倍激光光子的能量。这些工作,随着激光器的发展,发展出了强场电离这一领域,专门研究原子分子在强激光场中电离的各种现象。到 1988 年,法国原子和表面物理研究所的 M. Ferray 和 A. L'Huillier 等人观察到强激光照射原子时产生的高次谐波光谱,就是梳齿形状的一系列尖峰,每个尖峰里的光子能量是激光光子能量的几倍、甚至几十倍;相邻尖峰之间的差别通常是两个激光光子能量。这在激光中被称为高次谐波。最常用的钛宝石飞秒激光的波长是 800 纳米,光波振荡的周期为 2.67 飞秒,对应的光子能量是 1.55 电子伏特(electron volt — eV ,能量单位);其 65 次谐波的光子能量是 100 电子伏特,波长 12.4 纳米,已经接近紫外光(10—400 纳米)的最短波长,称为极紫外波段(XUV),对应的光波振荡周期只有 41 阿秒,正是产生阿秒脉冲的理想波段!
其实早在 1987 年,苏联科学院约费物理技术研究所的 M. Yu. Kuchiev 就已经提出了原子外层电子在激光场中电离后的二次散射的两步模型来解释阈上电离产生的光电子为什么能量那么高。1993 年,美国劳伦斯˙利弗莫尔和布鲁克海文国家实验室的 K. J. Schafer ,B. Yang ,L. I. DiMauro 和 K. C. Kulander 也提出了多次散射的两步模型,就是初始电离和电子在激光场中的加速。由于激光场是交变电场,当电场方向改变时,电子就有可能飞回到被电离的原子(离子)附近。据此他们一并解释了阈上电离和高次谐波。同年稍晚,加拿大国家研究委员会的 P. B. Corkum 详细阐述了强场电离的半经典三步模型,头两步仍然是电离和电子在激光场中的加速,由于激光场的加速效应,电子带有很高能量。而根据第三步的不同解释了紧密相关的三种现象。一种是双电子电离,就是第一个电离出来的电子回到离子附近时又撞出了第二个电子。第二种是弹性散射,其实就是阈上电离,电离出来的电子并没有和离子再次发生能量交换,顺便解释了高能量的阈上电离。第三种是电子与离子复合成原子,而电子携带的能量变成一个光子释放出来,这就是高次谐波光子!当我们用飞秒激光轰击惰性气体,这样的电离—加速—与离子复合的三步过程在激光的每半个光周期中发生一次,大量参与反应的原子辐射出的高次谐波光子就形成一个光脉冲。由于飞秒激光的半个光周期是一个到几个飞秒,而且极紫外波段的光谱可以支持超短脉冲,因此所产生的高次谐波光脉冲就到了亚飞秒或者说阿秒时间尺度。通常使用的飞秒激光脉冲包含几个到几十个光周期,就会产生几个到几十个阿秒脉冲。当我们观测光谱时,这一串阿秒脉冲发生光谱干涉现象,就形成了梳齿形状的高次谐波光谱。三步模型对这一系列物理现象,尤其是高次谐波的解释,勾画出了一个完整直观的物理图像,成为高次谐波和阿秒光学的原始理论基础。由于孤立阿秒脉冲(每个激光脉冲只产生一个阿秒脉冲而非高次谐波对应的一串脉冲)对于超快测量的重要性,Corkum 和 N. H. Burnett ,M. Y. Ivanov 于次年又提出了从高次谐波的阿秒脉冲串中提取出一个孤立阿秒光脉冲的理论和方法。自此,阿秒光学的大幕就拉开了!
例如,我们可以用阿秒脉冲去跟踪化学反应中的电子,去了解甚至操控反应的进程。也可以仔细观察光电池和纳米结构中的电子,寻找更高效的太阳能电池和更结实的纳米纤维。或者用阿秒激光度量超导体中的电子对,去寻找揭开超导秘密的钥匙。如果我们有一把阿秒激光“镊子”,那么储存和操作量子计算机中的电子和光子就可能梦想成真。而类似的一把“镊子”也可以用来分析 DNA 和蛋白质的结构和行为,或是把药物放进生病的细胞,那么癌症和其他的疑难杂症就有可能被治愈。阿秒光学会逐渐拓展到阿秒物理学、阿秒化学、阿秒电子学等等。