图:Bengt Oberger,2012 / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0
安妮·吕利耶
Anne L'Huillier1958–今 · 生于法国巴黎 · 法国 / 瑞典
她把红外激光打进惰性气体,出来的却是一长排等强度的高次谐波——那道「平台」后来变成了阿秒脉冲
诺贝尔物理学奖 2023 产生阿秒光脉冲、用以研究物质中电子动力学的实验方法
1987 年,萨克雷的实验室里有一台功率很大的钕玻璃激光器,波长 1064 纳米,也就是红外。吕利耶把它聚焦进惰性气体,去看会发出什么波长的光。
强激光打进气体会产生倍频,这不新鲜。意外的是谱的形状。
一片不该平的平台
按常识,谐波次数越高,强度应该越低——三次比一次弱,五次比三次更弱,一路指数下滑。
实际测出来是:前几次确实急剧下降,然后从第 5 次一直到第 33 次几乎不再衰减,拉出一片平坦的高原,最后才陡然截断。氩气里的这片平台,是当时最清楚的一次观测。
平台意味着什么?意味着一大片频率上都有强度相当的相干辐射,也就是极宽的带宽。而傅里叶那条老规矩说:带宽越宽,能合成的脉冲越短。有人立刻指出这可以用来做超短脉冲,但都停留在「原则上应该可以」。
要真做出来,得先弄明白平台是怎么来的。
三步
答案在 1990 年代初成形。吕利耶与谢弗、库兰德在 1991 年直接数值求解含时薛定谔方程,重现了平台的形状,指出这本质上是单电子过程,并第一次讨论了宏观的相位匹配——单个原子发的光要在整团气体里同相叠加,才有可观的输出。
物理图像由科克姆在 1993 年概括成三步:强激光把电子从原子里拽出来;半个周期后场反向,电子被拽回去;撞回母离子时复合,把一路积累的动能一次性变成一个高能光子。
这解释了截止:电子能积累的最大动能是 3.17 倍有质动力势,加上电离能,就是谱的边缘。也解释了为什么用 1064 纳米比用紫外激光更容易看到平台——波长越长,电子在场中被加速的时间越久,回来时动能越大。
1994 年,她与莱文施泰因、科克姆等给出了完整的量子理论。到这一步,高次谐波从一个奇怪的现象变成了一件可设计的工具。
从工具到脉冲
平台上的每一次谐波都是激光频率的奇数倍,彼此相位锁定。把它们叠加起来,得到的不是连续的光,而是一串极窄的脉冲,每半个激光周期一个。对 800 纳米的驱动光来说,间隔约 1.3 飞秒,而每个脉冲本身可以短到几百阿秒。
1990 年代后半,她的小组一步步把这条路铺完。2001 年,阿戈斯蒂尼在萨克雷测出了这样一串 250 阿秒的脉冲,克劳斯在维也纳则从中切出单个 650 阿秒的脉冲。两件事都建立在她 1987 年那片平台上。
2003 年,她的小组把脉冲列中单个脉冲压到 170 阿秒。
第五位
2023 年获奖时,她是历史上第五位获得诺贝尔物理学奖的女性。
一阿秒是十亿分之一的十亿分之一秒。一个阿秒之于一秒,约等于一秒之于宇宙的年龄。原子里的电子绕核一圈约需一百多阿秒——在这个奖之前,那个尺度上的运动只能算,不能看。
代表方程
高次谐波的截止能量
强激光把电子从原子里拽出来,半个周期后场反向,电子被推回母离子并复合,把在场中积累的动能变成一个高能光子。能达到的最高光子能量等于电离能加上 3.17 倍的有质动力势——后者正比于激光强度、反比于频率的平方。这条公式解释了她 1987 年看到的谱为什么是「平台加陡崖」,也告诉人们要更高能量该往哪个方向调。
只有奇数次谐波
原子在激光场里的响应是中心对称的,偶数次谐波相互抵消,只剩奇数次。1987 年在氩气里,从第 5 次一直到第 33 次谐波强度几乎不衰减,形成一片平台——这片平台意味着一段极宽的相干带宽,而宽带宽正是做超短脉冲的必要条件。