文章專區

Take Home Message
• 「原秒脈衝」的發展可從雷射說起，但和傳統單一頻率的連續波雷射不同，需要多道不同頻率且等相位的弦波疊加才能形成脈衝。
• 1987年呂利耶突破頻寬障礙，將光的波長從1064奈米的紅外光壓縮到32奈米的極紫外光，單一振盪週期因此縮短到只有107原秒。
• 2001年，亞谷斯蒂尼團隊找出量測極紫外弦波相位差的方法；克勞茲團隊也發表了原秒脈衝的量測技術，並實現此技術的「閃光燈」功能。

 
諾貝爾獎是學術成就的頂級桂冠，今（2023）年10月3日物理學獎頒給三位研究「原秒脈衝」（attosecond pulses）〔註〕學者的消息曝光時，筆者內心湧起的幾個獨白是：
 
1. 恭喜在隆德大學（Lund University）接待過我的呂利耶（Anne L'Huillier），也恭喜指導我實驗室成員陳柏翰取得博士學位的克勞茲（Ferenc Krausz）！
2. 提出三階段模型解釋原秒脈衝產生機制的加拿大物理學家科克姆（Paul Corkum）惜為遺珠之憾。
3. 終於有多一點人想了解原秒脈衝了吧？
 

〔註〕attosecond也常被譯為「阿秒、埃秒」，這兩種譯法皆為音譯。

 
在收到《科學月刊》邀稿後，筆者也拜讀了眾多物理同行精彩的文章。目前網路上已不乏解說原秒脈衝的原理、技術、應用的精闢文章，如何不至流於錦上添花的確煞費苦心。筆者想到的一個解法就是「說一個好故事」，讓讀者在汲取新知之餘，也能興起探索未知的動力。

安妮．呂利耶（Anne L'Huillier，1958～）
國籍∣法國、瑞典
任職單位∣隆德大學
研究領域∣原秒物理學
（Magnus Bergström, Wallenberg Scholar）


費倫茨．克勞茲（Ferenc Krausz，1962～）
國籍∣匈牙利
任職單位∣馬克斯・普朗克量子光學研究所
研究領域∣量子光學
（©Christoph Hohmann, MCQST）


皮埃爾．亞谷斯蒂尼（Pierre Agostini，1941～）
國籍∣法國
任職單位∣俄亥俄州立大學
研究領域∣原子物理學
（Krystal Kenney, Ohio University）

雷射與脈衝

原秒脈衝當然不是橫空出世，而是從雷射發明開始，累積了數十年的壯闊史詩。
 
當任職於休斯飛機公司（Hughes Aircraft）、年僅32歲的美國物理學家梅曼（Theodore Maiman）在1960年展示第一臺可見光雷射時，大家驚嘆到人類居然能讓多如恆河之沙的原子聯手發出單頻純色光。這種物理上的「連續波」（continuous wave），它的電場是以單一弦波（sinusoid）隨時間振盪（圖一 a）。
 
連續波雷射開啟了操控光場的新紀元，但它與「脈衝」恰好是對立的兩個極端。如果忽略掉快到難以察覺的弦波振盪，例如紅光電場的振盪週期僅約2.3飛秒（femtosecond），只有單一頻率的連續波輸出的波為固定平均功率，且沒有時間解析度。反之，包含各種頻率成分的脈衝則是把能量集中在一個短暫的包絡之內，可以得到巨大的峰值功率和超精密的時間解析度（圖一b）。

大頻寬、高功率、短時間這三大特色，正好就是諾貝爾物理學獎三度獎落超短脈衝雷射技術的原因。首先由2005年的「光頻梳」（optical frequency combs）技術拔得頭籌，它是在科學家們有能力將雷射的頻寬拓展到逼近雷射中心頻率ω₀（俗稱八度音頻寬）後才得以實現。由於光的中心頻率動輒高達數百兆赫（terahertz, THz），要把頻寬擴充到這種等級的難度可想而知。時隔13年，替雷射功率帶來革命性突破的「啁啾脈衝放大器」（chirped pulse amplification, CPA）獲得2018年物理獎的青睞。去（2022）年底美國國家點火設施（National Ignition Facility, NIF）發表的能量淨增益核融合實驗就是這項技術的具體應用。跨過嚴重特殊傳染性肺炎（COVID-19）疫情，今年由突破時間解析極限的原秒脈衝獲獎，堪稱功德圓滿！順帶一提，其實早在1999年，雷射脈衝在短時間上的優勢就被用於解析化學反應動態，因而贏得該年度的諾貝爾化學獎。只是當年關注的是分子動態，次皮秒級（sub-picosecond）的脈衝就足以奏功。人類不過20餘年的光景就備妥了足以解析電子動態的原秒脈衝，可謂一日千里！
 

如何發出脈衝光？

回到技術面，該如何讓標準的連續波雷射改發出脈衝光，的確考驗人類「動手腳」的本領。多數文章會以疊加多道不同頻率且等相位的弦波來解釋脈衝的形成，這種「頻域」（frequency domain）的觀點完全正確，不過要讓雷射振盪器從一片混亂的雜訊中長出超短脈衝，主要依靠在共振腔內加入運作在「時域」（time domain）的飽和吸收體。……【更多內容請閱讀科學月刊第648期】