借助灯丝化生成孤立阿秒脉冲

以十亿的十亿分之一帧速率凝固运动

许多自然界中最重要的事件发生得远比相机能捕捉的速度更快：电子在原子中位移、电荷在材料中奔驰、磁体中的自旋翻转。要直接观测这些动态，研究者使用持续时间仅为阿秒的光闪——即十亿分之一的十亿分之一秒。本文报道了一种简单且稳健的方法，利用常见的工业激光和一个巧妙的充气装置产生此类极端短光闪，可能使“电子速率相机”更易为更多实验室所用。

为何超短光闪重要

阿秒脉冲改变了研究者观测物质的方式。借助它们，可以追踪电子在原子、分子与固体中的运动，观察激发态如何传播，并操控材料中的磁态。这些能力支撑了新兴的“光波”技术，未来有望以拍赫（petahertz）速率处理信息——远快于当今电子学。但要推动这项科学前进，实验者需要的不仅是极短的阿秒脉冲，还需脉冲亮度高、谱线干净且每次发放稳定。

将一台常用激光变成电子速率的频闪灯

研究团队使用一种结实的镱（Yb）激光器，这种平台在产生高功率飞秒脉冲方面很受欢迎。单独使用时，这类激光产生的脉冲相对较长，超过150飞秒，必须经过强力压缩才能达到阿秒工作所需的少周期区。如此强烈的后压缩通常会留下不需要的卫星脉冲和波前畸变，破坏脉冲品质。作者将已被压缩至4.7飞秒的红外脉冲送入一个称为半无限气体室的长型充气腔体。在这一延伸介质中，光与气体相互作用极强，光束在传播过程中自我重塑，形成一条细而明亮的“灯丝”光通道。

自形成的光灯丝如何净化并缩短脉冲

当条件调至激光峰值功率接近气体所决定的临界值时，三种效应之间出现平衡：光束的自然发散、气体对光束的自聚焦，以及气体电离后产生等离子体带来的去聚焦。这种平衡产生了自导引的灯丝，使其尺寸在数毫米范围内几乎保持不变。在这一狭窄通道内，脉冲峰值经历轻微的蓝移——其频率向更高处移动——而脉冲前后部分则以不同方式移动。总体效果是脉冲的中心尖峰在时间上变短且在空间上更干净，在氩气中从4.7飞秒缩短到3.5飞秒。与此同时，光谱的外围、较少有用的部分被拉宽并仅携带少量能量，留下行为良好的核心部分。

从干净的红外脉冲到孤立的阿秒爆发

在这种灯丝化工作区，强而净化的红外脉冲通过高次谐波产生极紫外光：电子先被释放，然后被驱回到母离子并发出极高频的辐射。由于光束既被紧密引导又被短暂压缩，产生这些谐波的条件仅在脉冲峰值附近的很短时间窗口内满足。这起到天然门控的作用，只允许形成单个阿秒爆发而非一列脉冲。通过阿秒“条痕”测量显示，该方法可靠地产生明亮、孤立的脉冲：在氩气中约200阿秒、65电子伏；在氖气中69阿秒、100电子伏；在氦气中65阿秒、135电子伏，且都具有良好的光束质量和高对比度。

通往实用阿秒光源的直接路径

这项研究表明，在灯丝化工况下运行的长型充气腔可以同时缩短、稳定并在空间上净化难以处理的红外脉冲，同时将其转化为强大的孤立阿秒闪光源。与依赖复杂门控技巧或精密光学的更复杂方案相比，该方法仅需一个强的少周期脉冲和一个调校得当的气体腔。因为它能与已在实验室与工业中广泛使用的鲁棒镱激光兼容，这种借助灯丝化的方法为可广泛获取的阿秒光源提供了一条实用路径，以便探测并最终控制物质中的超快过程。

引用: Chien, YE., Fernández-Galán, M., Tsai, MS. et al. Filamentation-assisted isolated attosecond pulse generation. Nat Commun 17, 3501 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70903-4

关键词: 阿秒脉冲, 高次谐波产生, 激光灯丝化, 超快光谱学, 半无限气体室