目前，两个处于领先地位的研究组把最新研究成果相互结合，成功地产生了一串串可控制原子内部情况的形状相同的超短激光脉冲——

一阿秒是一秒钟的一百万分之一的一百万分之一的一百万分之一。如果把你生命中的下一秒钟扩展为宇宙的历史的话，那么一阿秒将相当于宇宙历史长河中不足一秒的时间。在一阿秒（10-18秒）时间内，光只能行进比单个水分子的长度长不太多的距离，水分子本身也将表现为凝固状态。分子的固有振动周期超过几万阿秒，而其转动一周将需要几百万阿秒——相对振动来说时间很长。即使原子中电子的快速运动过程一般估计也得需要几百至几千阿秒的时间，而可见光波振荡一个周期大约需要2000阿秒。

因此，鲍塔斯卡（Baltuka）等人在2003年2月6日《自然》杂志上的文章“利用强光场对电子过程进行阿秒控制”无疑会给人留下深刻印象。文章的作者在阿秒尺度上对光进行了处理，并利用处理过的光以相同的时间精度来控制电子的运动。这项工作是由德国马克斯 · 普朗克量子光学研究所西奥多 · 汉斯（Theodor Hänsch，见图）研究组的精密测量小组和奥地利维也纳工业大学弗兰克 · 克劳兹（Ferenc Krausz）研究组的超快激光技术小组合作完成的。克劳兹、汉斯及他们的同事们把两项由他们的研究工作发展起来的技术亚飞秒软X射线产生技术和全光频标技术完美地结合成超快激光技术，进而取得了上述辉煌的进展。

亚飞秒软X射线产生技术和全光频标技术的工作基础都是克尔透镜锁模激光器，它是超快科学研究的主要工具，问世至今仅仅12年，在世界上大多数超快研究实验室中都能发现它的身影。它可以通过一种被称为克尔透镜效应[以苏格兰物理学家约翰 · 克尔（John Kerr，1824～1907）命名的一种效应]的非线性效应在光谱的近红外区产生一连串连续不断的持续时间为10～100飞秒（10000～100000阿秒）的光脉冲。克尔透镜是由光自身产生的，可以促使激光器谐振腔中的光子聚集成极短的光脉冲。这些光脉冲可以被认为是囚禁在单个短包络中的、在激光器谐振腔端镜之间来回反射的电磁波。如果两个端镜中的一个是部分透射的，那么脉冲每反射一个来回就会有一小部分从谐振腔中透射出去，产生一连串输出脉冲。

然而，虽然输出脉冲是由激光器谐振腔内电磁波在每反射一个来回之后相继连续透射出来的，但在输出脉冲串中的每个脉冲看上去却并不是完全相同的。脉冲的光学载波在每次反射之后都会有相当于一个周期的一小部分的位移，这是因为载波频率与脉冲的重复频率不相匹配——即光波频率与脉冲的重复频率的比值不是整数。如果这一比值为整数，则光波频率就会仅与激光器谐振腔内电磁波来回反射的频率有关系。

几年前，汉斯认识到如果能克服这种缺陷，就有可能建立全光频标，进而显著地简化和改善时间的测量精度。他的研究组发现了一个解决这一问题的方法，研制出了被称为“光学梳状发生器”的装置，使时间标准的研究工作正在发生根本性的变革。

图为激光器加工红宝石

与此同时，克劳兹研究组正在寻求克尔透镜激光器的一种不同应用。他们仅仅经过几个周期就把激光的峰值功率放大到了1000亿瓦，以产生短波射线爆丛。利用强激光产生高能超短光脉冲是一件非同凡响的事。直接的激光放大过程将会毁坏激光器及其输出光场，因为这里的激光光强大得足以劈裂原子。这一灾害可以利用名称奇异的非同寻常的技术——即啁啾脉冲放大、中空光纤自相位调制以及啁啾镜压缩等技术加以避免。超快光学已发展成为一项高技术，而克劳兹正是该领域的艺术大师。

当高功率的光束聚焦到蒸气中的原子上的时候，原子会以多种方式发生反应。有些原子会快速电离，通过一种被称为“超阈值电离”的过程产生大量的高能电子。另外一些原子吸收入射激光，然后再辐射出非常高的高次谐波（或多倍于激光频率）的光。这种高次谐波辐射可以形成一个脉冲持续时间低于1飞秒的非常好的软X射线源。

克劳兹研究组和其他一些人已经研究了高次谐波产生的机理。理论认为高次谐波起因于电离出来的母原子在重新碰撞过程中所产生的相干辐射。如果是这样的话（实验似乎证实了这一点），那么就会在激光场的每个周期内形成阿秒软X射线爆丛。因此，X射线爆丛的模式将与脉冲包络中的光学载波的模式相匹配——这正是目前汉斯研究组和克劳兹研究组的工作的交汇处。

当克劳兹的激光器通过汉斯的技术获得稳定之后，激光放大器就会产生功率为1000亿瓦的一模一样的光脉冲了。这就意味着在激光焦点处从原子中剥离出来的电子将按照相同的途径在脉冲的相同区段与它们的母原子重新碰撞，并产生记录下这一剧烈运动的光谱和电子谱。所有以前的实验都要被迫在不同的激光脉冲上来求平均值，因此抹掉了原子尺度过程的若干特性。尤其是，现在发现谐波谱竟然并不总是“谐波（泵浦频率的整数倍）”。相反，谐波谱要受到发生于驱动光场相继周期的不同部分的相继X射线爆丛之间的相干干涉的调制。

目前，所产生的相同的脉冲的相位锁定范围已被成功地降到了光场的一个周期的很小一部分，时间不精确度缩小到200阿秒以下。可是，200阿秒并非1阿秒，因此鲍塔斯卡及其合作者的文章的题目或许有些言过其实。尽管如此，这仍然不失为一项显著的成就。在这种水平的探测精度上可以捕捉到光激发电子在它们的母原子周围的运动情况。汉斯、克劳兹及其同事们在产生锁频高强度激光脉冲方面所获得的成功，标志着“阿秒物理”（阿秒时间尺度物理过程的研究）时代的开始。

[Nature，2003年2月6日]