如今，對于微觀世界，空間分辨率已經可以達到原子分子尺度，其對應的運動特征時間也達到了超快的飛秒（femtosecond，10^-15秒）量級，目前比較成熟的飛秒脈沖激光已經能夠探測分子間運動，使其不再神秘。

但分子內部的電子運動，其動力學過程發生在更快的阿秒（attosecond，10^-18秒）量級。

電子早在19世紀便由劍橋大學的約瑟夫·約翰·湯姆森在實驗中發現，距今百余年，由于運動速度過快，其運動過程仍無法直接探測，長期以來只能以電子云的概念來描述它在原子核外空間某處出現的幾率大小。電子云模型能夠很好地解釋化學鍵的形成與斷裂、原子吸收與發射光子的光譜以及原子的性質等現象，并且符合量子力學原理，但在解釋很多微觀粒子運動規律時出現了障礙，需要發展更為準確的模型。

今年，諾貝爾物理學獎頒發給“阿秒激光”，其原由為促進了物質中電子動力學的研究，阿秒激光的研制成功，首次將探索世界的時間尺度推進到阿秒量級，人類第一次可能擁有直接測量電子動力學行為的工具。

阿秒是什么概念？

阿秒僅僅為10^-18秒，如果說光從地球跑到月球的時間大約需要1秒，而在1阿秒時間內，光只能傳輸0.3納米，約為頭發絲直徑的二十萬分之一。

今年獲獎的三位科學家，美國科學家皮埃爾?阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini），匈牙利科學家費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和法國科學家安妮?呂利耶（Anne L’Huillier）在實驗上為阿秒激光的產生做出了巨大貢獻。

女科學家安妮?呂利耶在博士期間就一直在研究多光子電離效應，并在1988年，30歲之前就發表了獲得諾貝爾獎的關鍵論文，發現了強激光照射惰性氣體產生高次諧波的現象，并獲得了高次諧波典型的頻譜結構，其譜寬已經能夠支持阿秒量級的脈沖，為激光脈沖突破至阿秒提供了先決性條件。

在高次諧波發展十余年后，皮埃爾?阿戈斯蒂尼于2001年利用高次諧波并結合RABBIT技術（雙光子干涉的阿秒拍頻重構，reconstruction of attosecond beating by interference of two-photon transitions），實現了一系列脈沖間距為1.35 fs、脈沖寬度僅為250 as阿秒脈沖的產生與測量，稱為阿秒脈沖串。

而在同一年，費倫茨·克勞斯利用更短的飛秒驅動光來產生高次諧波連續譜，并利用阿秒條紋相機技術首次產生并測量了孤立的阿秒脈沖。

至此，阿秒激光時代正式來臨。

圖：高次諧波、阿秒脈沖串與阿秒脈沖之間的關系

諾貝爾獎只頒給了上述三位科學家，但仍有不少學者在初期做出貢獻。 

早在1987年，A. McPherson等人在實驗上測量了惰性氣體中的高次諧波，是最早公開發表高次諧波現象的論文。同年，M. Yu. Kuchiev等提出了“原子天線”的理論解釋，認為電子在母核附近往返振蕩發射諧波，其物理圖像類似于天線。

1992年，J. L. Krause，K. J. Schafer和K. C. Kulander提出了高次諧波過程的重碰撞圖像，稱之為simple-man模型，考慮電子在激光場中的經典運動，并由此得出諧波的最高截止能量。

2022年獲得沃爾夫物理學獎的加拿大科學家Paul Corkum在1993年提出了半經典的三步模型，在一個經典的重碰撞圖像中，高次諧波過程分為以下三步：首先，電子隧穿離開由原子庫侖場和激光場共同形成的勢壘，隨后電子在激光場作用下加速并獲得能量。隨著激光場方向的改變，電子有一定機會返回母核并被俘獲，以高能光子的方式釋放出多余的能量產生諧波，三步模型很直觀地描述了高次諧波的產生過程，而Corkum也成為了本次諾貝爾物理學獎的最大遺珠。

對高次諧波過程的定量描述，則需要借助量子力學。基于強場近似的詳細量子理論于1994年由M. Lewenstein等人給出，通常被稱作強場近似或者Lewenstein模型。實際上，強場近似的思想來自于早先對強激光場中原子和固體電離的研究，在1965年由L. Keldysh首次提出，隨后被F. H. M. Faisal和H. R. Reiss進行了拓展。直到今天，Keldysh參數都是阿秒領域研究人員非常熟悉的一個重要參數，用以判斷激光參數是否能夠達到阿秒脈沖產生的要求，不幸的是L. Keldysh已于2016年去世。Lewenstein模型完全從量子力學出發，得到了前述三個過程的對應理論描述，驗證并夯實了三步模型的理論基礎。至此，該模型被廣泛接受并得到了充分發展，成為產生阿秒脈沖的高次諧波過程的標準模型。

我國阿秒激光的研究總體起步較晚，一直處于追趕狀態，但近些年有顯著進展，相關研究也進入了國際先進水平。 

2013年，中國科學院物理研究所實現了160 as的孤立阿秒脈沖。此后，華中科技大學和國防科技大學在2020年相繼實現了272 as、88 as的孤立阿秒脈沖。

2019年，中國科學院西安光機所自主研制了高能量分辨阿秒條紋相機，產生和測量了159 as的孤立阿秒脈沖，并在2021年產生了更短的75 as孤立阿秒光脈沖，刷新了國內的阿秒脈沖紀錄。

此外，國內研究機構包括中國科學院上海光機所、中國科學院精密測量科學與技術創新研究院、北京大學、華東師范大學、吉林大學、南京理工大學、中國科學院近代物理研究所、西北師范大學等在阿秒激光理論以及應用方面都有重要成果報道。

當前，超快激光技術正朝著更高脈沖能量、更高平均功率、更窄脈沖寬度的目標發展。未來，激光脈沖寬度將從阿秒（as）縮短至仄秒（zs），光子能量將推進至硬X射線和伽馬射線波段。此外，阿秒激光能量太低，是限制其應用的最主要原因，在可預測的未來，超快激光領域再次獲諾貝爾獎將從高能量阿秒新機理、阿秒應用以及下一個量級的仄秒脈沖中產生。

2021年《Science》發布的“全世界最前沿的125個科學問題”中有十余個問題需要通過超快科學探索解決。例如，復雜激光場中的多體量子相互作用；超導機制--電子庫珀對的形成；太陽能電池的光轉換--電荷轉移激子解離過程；生物分子之間的電荷轉移過程；實現PHz開關，將現有的電路響應速度提高100000倍以上等，上述問題都直接與電子動力學相關。

阿秒脈沖將有望在多個科學和應用研究領域涌現出眾多原始創新。當前，國際上已經開始阿秒激光設施的建設和競爭，由諾貝爾物理獎獲得者Gérard Mourou等人倡導，歐盟率先開展了歐洲極端光設施-阿秒光源（ELI-ALPS）的建設，并推動了歐洲相關激光公司的技術跨代升級。