突破光的极限： Meng Han教授谈阿秒科学的里程碑

“产生更短、更亮的光脉冲是超快科学的核心目标，它能够对电子动力学在其自然时间尺度上进行相干控制和观测，”堪萨斯州立大学物理系助理教授Meng Han在其近期发表的论文¹中写道。如今，这一愿景已以一种非凡的方式得以实现：产生了18阿秒的光脉冲——这代表了阿秒科学的一个重要里程碑。

这一成就超越了苏黎世联邦理工学院Hans Jakob Wörner团队于2017年展示的43阿秒脉冲，后者是利用配备Light Conversion公司TOPAS-PRIME-HE光学参量放大器²的钛蓝宝石激光系统产生的。此次突破得益于一套由Light Conversion公司基于Yb的PHAROS飞秒激光器和国立清华大学（台湾新竹）Ming-Chang Chen教授及其合作者开发的CASCADE（级联聚焦与压缩）装置。CASCADE装置的核心在于利用多个充有惰性气体的气室，将激光脉冲聚焦以非线性地产生更宽的带宽，然后通过啁啾镜进行压缩。由此产生的3.7飞秒脉冲随后被导入Prof. Han搭建的阿秒条纹光束线。

Prof. Han的研究方向为实验原子、分子和光学物理，包括CEP稳定的近单周期激光技术、短孤立阿秒脉冲的产生、表征及其应用。在这次采访中，他回顾了促成最近取得的成就的合作，探讨了在激光技术极限范围内工作的挑战，以及为什么阿秒科学领域仍然是研究人员不断挑战物理学极限的地方。

您与Ming-Chang Chen教授的合作是如何开始的？

我第一次见到Ming-Chang Chen教授是在2022年奥兰多举行的ATTO会议上，当时我还是个博士后，正在展示我关于圆偏振阿秒计量学的海报。他对我的工作非常感兴趣，我们进行了长时间的交流，探讨了阿秒科学的未来。Ming-Chang Chen教授还向我展示了他令人印象深刻的脉冲压缩成果，我们都认为基于镱的激光器将成为该领域的主力军。后来，当我在堪萨斯州立大学建立自己的实验室时，我决定将有限的资源投入到镱放大器的研发中——对于一个新晋助理教授来说，这多少有点冒险😉。Ming-Chang Chen教授和他的学生Ming-Shian给予了我们极大的支持，并在实验室筹建初期提供了许多帮助。

此前最短激光脉冲的纪录保持了八年之久。为什么打破这个纪录花了这么长时间？

简而言之，产生如此超短的阿秒脉冲需要三个关键要素：极宽的光谱带宽、精确的光谱相位控制以及适用于阿秒条纹等表征实验的明亮稳定的光通量。早在2017年，两个先驱研究团队——中佛罗里达大学Zenghu Chang课题组和苏黎世联邦理工学院Hans Jakob Wörner课题组——就利用中心波长约为1.8 μm的OPA或OPCPA激光器实现了阿秒条纹。此后，由于同时满足这三个要求并达到所需性能水平的技术挑战，进展一直受到限制，这也解释了为何打破纪录耗时近九年。

您的脉冲达到“原子单位”时间尺度，定义为 1S 电子行进一个玻尔半径所需的时间。时间和距离的经典定义如何与轨道是概率密度的事实相匹配？您能解释一下它的相关性吗？

严格来说，处于静止状态的 1S 电子在量子意义上没有运动——它由概率密度描述，而非经典轨迹。然而，一旦 1S 电子被部分激发到另一个能级，就会产生两个能级的叠加态。这种叠加态会产生电子动力学，其中电子密度随时间演化。能级之间的能量差越大，这种动力学发生得越快。一个原子时间单位——约 24.2 阿秒——代表了所有原子中价电子最快运动的自然时间尺度，因此它是一个非常重要的基准。

在您的文章中，您描述了用于产生尽可能短脉冲的各种激光源。钛蓝宝石激光器产生的脉冲仍然比镱激光器更短、能量更高，因此人们可能会认为它们更适合产生这些短脉冲。镱激光器的优势是什么？主要是由于其泵浦波长比钛蓝宝石激光放大器更长，从而获得了更高的截止增益吗？

与钛蓝宝石激光器相比，镱激光器对阿秒研究领域的主要优势在于其卓越的稳定性。借助后压缩技术，镱激光器系统还能产生极短的脉冲。对于20–50飞秒范围内的脉冲宽度，钛蓝宝石激光器仍然极具竞争力，因为它们在该范围内也能保持稳定，更重要的是，其脉冲对比度非常清晰。但在产生少周期脉冲方面，镱激光器展现出了优于钛蓝宝石激光器的明显优势，兼具稳定性和可扩展性。正因如此，镱激光器在推动阿秒科学发展方面正变得越来越有吸引力。

320 eV 是 1 µm 驱动器的极限吗？增加脉冲能量能否突破这个限制？或者能否利用 MPC 实现更短的脉冲？

我并不认为 320 eV 一定是 1 微米驱动器的极限。在我们的实验中，我们仅使用了约 0.8 mJ 的能量来产生阿秒脉冲，因此通过提高驱动器脉冲能量，肯定还有探索更高光子能量的空间。使用更高能量、更短脉冲的 Yb 驱动器重复这些实验，看看截止频率可以推到多远，以及是否能够实现更短的脉冲，将会非常有趣。

您的阿秒级装置稳定性如何？无论是在长时间实验中保持短脉冲，还是从冷启动开始，其稳定性如何？

我们的阿秒条纹成像装置非常稳定可靠——它可以连续运行数周甚至数月而无需中断。从冷启动开始，通常只需几个小时即可完成激光器的预热，并使所有仪器达到最佳数据采集状态。

利用这些脉冲信号，您或其他研究小组接下来最应该进行的实验是什么？

利用这些脉冲可以探索许多令人兴奋的方向。例如，角度分辨阿秒条纹成像技术可以让我们测量部分波分辨的光电离时间延迟。另一个例子是台式阿秒分辨内壳层电子能谱技术⁴。这将为我们提供前所未有的视角，深入了解电子在其自然时间尺度上的动力学行为。

您希望在镱放大器方面看到哪些进一步的发展？

就我个人而言，我希望看到能够在保持现有脉冲持续时间的同时，提供更高单脉冲能量的镱放大器，例如，在200飞秒脉冲持续时间下，能量达到10毫焦耳量级。这样的系统将为扩展阿秒脉冲的产生规模开辟令人兴奋的可能性。

Meng Han及其合作者取得的成果并非终点，而是持续探索的又一步。极端光产生已成为现代物理学最具活力的前沿领域之一，每一次进步都为探测和控制自然界最快速的过程开辟了新的途径。其中，基于镱的飞秒激光器扮演着日益重要的角色。凭借其稳定性、可扩展性和多功能性，这些激光器如今为该领域众多雄心勃勃的实验提供动力。

参考

1. J. Gao, M. Hasan, H. Liang, Z. Guo, C. Zhang, M. Tsai, Y. Yuan, Z. Eisenhutt, C. H. Keitel, C. Lin, C. Jin, Y. Liu, M. Chen, M. Han, Bright Isolated Light Pulses Reaching 18 Attoseconds from High-Order Harmonic Generation by Post-Compressed Yb Lasers, Nat Commun 17 (2026).

2. T. Gaumnitz, A. Jain, Y. Pertot, M. Huppert, I. Jordan, F. Ardana-Lamas, H. J. Wörner, Streaking of 43-Attosecond Soft-X-Ray Pulses Generated by a Passively CEP-Stable Mid-Infrared Driver, Opt. Express 25, 27506-27518 (2017).

3. M. Tsai, A. Liang, C. Tsai, P. Lai, M. Lin, M. Chen, Nonlinear Compression Towards High-Energy Single-Cycle Pulses by Cascaded Focus and Compression, Sci. Adv. 8, eabo 1945 (2022).

4. M. Hasan, J. Gao, H. Liang, Y. Yuan, Z. Eisenhutt, M. Tsai, M. Chen, H. J. Wörner, A. Rudenko, M. Han, Time-Domain Measurement of Auger Electron Dynamics in Xenon and Krypton Atoms After Giant Resonance Photoionization, Phys. Rev. Lett. 136, 163201 (2026).