泛音對于基音中的每個周期都有多個周期。諧波在光波中的工作方式與泛音類似。

在 20 世紀 90 年代，呂利耶在隆德大學(xué)發(fā)表了一系列文章，繼續(xù)探索這種效應(yīng)。她的研究結(jié)果有助于從理論上理解這一現(xiàn)象，為下一次實驗突破奠定了基礎(chǔ)。

逃逸電子產(chǎn)生諧波

當激光進入氣體并影響其原子時，它會引起電磁振蕩，扭曲原子核周圍電子的電場，可令電子從原子中逃逸出來。然而，激光的電場是持續(xù)振蕩的，當它改變方向時，松散的電子可能會沖回原子核。在電子的運動過程中，它從激光的電場中獲得了大量額外的能量。為了重新回到靠近原子核的基態(tài)，電子必須以光脈沖的形式釋放多余的能量。這些來自電子的光脈沖產(chǎn)生了實驗中出現(xiàn)的諧波。

激光與氣體中的原子相互作用

實驗發(fā)現(xiàn)了激光產(chǎn)生諧波的機制。它是如何工作的？

1、與原子核結(jié)合的電子通常不能從原子中逃逸，它沒有足夠的能量將自己從原子電場形成的勢阱中拉升出來。

2、原子受到激光脈沖的影響，其電場會發(fā)生扭曲。當電子僅被狹窄的勢壘所束縛時，量子力學(xué)允許其隧穿并逃逸。

3、自由電子仍然受到激光電場的影響并獲得一些額外的能量。當電場轉(zhuǎn)動并改變方向時，電子會被拉回。

4、為了重新附著在原子核上，電子必須擺脫其在逃逸途中獲得的額外能量。這種能量以紫外線的形式發(fā)射，其波長與激光場的波長相關(guān)，并且根據(jù)電子移動的距離而有所不同。

光的能量與其波長相關(guān)。實驗發(fā)射出的諧波中的能量與紫外線相當，其波長比可見光的波長短。由于能量來自激光的振蕩，因此諧波的振蕩將與原始激光脈沖的波長形成了優(yōu)雅的比例。光與許多不同原子相互作用的結(jié)果是形成一組特定波長的不同光波。

一旦這些諧波出現(xiàn)，它們就會相互作用。當光波的峰值疊加時，產(chǎn)生的光就會變得更強，但當一個光波的波峰與另一個的波谷疊加時，產(chǎn)生的光就不那么強。在適當?shù)那闆r下，諧波重合，從而出現(xiàn)一系列紫外光脈沖，其中每個脈沖的周期為幾百阿秒。物理學(xué)家在 20 世紀 90 年代就理解了其背后的理論，但真正的突破發(fā)生在 2001 年，那時，科學(xué)家才真正識別并測試了這種脈沖。

用最短的光脈沖探索電子世界：當激光穿過氣體時，氣體中的原子會產(chǎn)生紫外光諧波。在適當?shù)臈l件下，這些諧波可能是同步的。當它們的周期重合時，就會形成集中的阿秒脈沖。實驗設(shè)置示例：激光被分成兩束，其中一束用于產(chǎn)生一系列阿秒脈沖。然后將該脈沖序列添加到原始激光脈沖中，并將該組合用于執(zhí)行極其快速的實驗。

皮埃爾·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）和他在法國的研究小組成功地制造出了一系列連續(xù)的、像是多個車廂串聯(lián)的火車一樣的光脈沖，并對其進行了研究。他們使用了一種特殊的技巧，將這個“脈沖列車”與原始激光脈沖的延遲部分放在一起，以查看諧波如何彼此同步。他們還測量了“脈沖列車”中脈沖的持續(xù)時間，發(fā)現(xiàn)每個脈沖僅持續(xù) 250 阿秒。

與此同時，費倫茨·克勞斯（Ferenc Krausz）和他在奧地利的研究小組正在研究一種可以挑選單個脈沖的技術(shù)——就像將火車上的一個車廂脫開并將其切換到另一條軌道一樣。他們成功分離出了持續(xù) 650 阿秒的脈沖，該小組用它來跟蹤和研究電子脫離原子束縛的過程。

這些實驗證明阿秒脈沖可以被觀察和測量，并且它們也可以用于新的實驗。

現(xiàn)在阿秒世界已經(jīng)觸手可得，這些短脈沖光可以用來研究電子的運動?，F(xiàn)在可以產(chǎn)生低至幾十阿秒的脈沖，并且這項技術(shù)一直在發(fā)展。

電子的運動變得容易理解

阿秒脈沖可以測量電子被拉離原子所需的時間，并檢驗電子與原子核結(jié)合的緊密程度如何決定該時間的長短。我們可以在原子和材料中重建電子分布，讓電子從一側(cè)振蕩到另一側(cè)，或從一個位置振蕩到另一個位置；在此之前，電子的位置只能用平均值來衡量。

阿秒脈沖可用于測試物質(zhì)的內(nèi)部過程，并識別不同的事件。這些脈沖已被用來探索原子和分子物理學(xué)的細節(jié)，并在電子、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

例如，阿秒脈沖可用于推動分子，從而發(fā)出一個可測量的信號。來自分子的信號具有特殊的結(jié)構(gòu)，這是一種可以揭示其“身份”的指紋，在醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域都可能具有潛在應(yīng)用。