1999年飞秒化学，2005年基于飞秒的光频梳，2018年啁啾脉冲放大技术，2023基于飞秒脉冲驱动的阿秒科学，近30年基于飞秒激光四夺诺奖，让“飞秒人”备受鼓舞。
阿秒脉冲是一种极短的光脉冲，其持续时间在阿秒范围内（1阿秒等于10^-18秒）。它通常是通过高次谐波生成（HHG）技术产生的，这涉及到一个强飞秒激光脉冲与某种介质（如气体）相互作用，导致电子被瞬时从原子或分子中释放，然后迅速重新结合，期间释放出具有极高频率的光子，从而形成阿秒脉冲。
说到阿秒科学，不得不提及世界最大的阿秒科学装置-位于匈牙利的ELI-ALPS，这个装置的具体情况在波量科技之前的公号中已经做了详细介绍，请大家再次关注文章：走近欧洲超强激光装置：ELI系列（4）。通过其中的飞秒激光光源，可窥目前最先进的飞秒激光技术和头部公司，这包括立陶宛LightConversion公司的OPCPA系统，德国ActiveFiber公司的相干合成高功率光纤激光器，法国Fastlite公司的基于碟片激光器的高功率中红外OPCPA系统，德国Class5公司基于板条激光器的OPCPA系统等等。
目前国内中国科学院物理研究所和中国科学院西安光机所正领衔建立世界级的阿秒科学装置，这个过程中必将推动中国飞秒激光和阿秒科学的极大发展，值得期待。但是和欧洲的产业环境不同，中国产业界能够给阿秒科学研究提供支持的相关企业并不多，更多时候需要科学独立解决激光器等关键问题，这在逻辑上就很有挑战。同时，国际形式的恶化，世界一流的飞秒激光企业加强了对国内客户的出口限制。因此，解决阿秒科学“卡脖子”问题，实现国产飞秒科学仪器自主化具有巨大的存量市场和潜在市场。
本文作者根据多年从事阿秒激光驱动源研发和阿秒科学市场推广经验，浅析一下阿秒科学领域中值得投资的前沿技术，希望能起到抛砖引玉的作用。
一，高功率飞秒固体激光技术
在阿秒科学中，高功率飞秒固体激光器是产生阿秒脉冲的关键工具，它通过非线性过程，如高次谐波生成，将其飞秒脉冲压缩至阿秒时间尺度，从而为研究和操纵原子和分子中电子的超快动态提供了必要的光源基础，推动了对物质微观世界的深入洞察。
在更为广阔的应用领域，高功率飞秒固体激光器结合了高功率输出和极短的脉冲宽度，为精密材料加工、光学参量放大、高次谐波生成、医学成像、和量子研究等应用领域提供了前所未有的能力。其主要优势在于能实现极高的峰值功率，导致的非线性效应允许开展先进的光学实验和提供高精度、无热损伤的材料加工能力，满足了从基础科研到工业生产的多样化需求。
二，可调谐光参量大技术
在阿秒科学中，飞秒光参量放大器起到了关键作用，为产生宽带宽、周期量级、载波包络相位稳定以及高通量的飞秒脉冲提供保障，这些脉冲经过进一步的非线性过程，如高次谐波生成，可以转化为阿秒脉冲。这种转换为研究原子和分子内电子的超快动态提供了适宜的光源，助力深化对量子世界的理解和实验操作。
在更广阔的领域中，可调谐光参量放大器（OPA）提供了宽波段、可调谐、短脉宽的脉冲输出，允许用户在广泛的波长范围内精确地选择所需的激光输出。这种灵活性和精确性使OPA在多种应用中备受欢迎，包括光谱学、非线性光学研究、生命科学成像、化学动态研究以及材料表征等，为科研和工业应用提供了强大的、可定制的光源解决方案。
三，高次谐波产生极紫外光源技术
当强飞秒激光脉冲作用于原子或分子时，会使电子被释放并在激光场中加速，随后再与其原始母体重新结合，释放出极紫外高能光子，形成高次谐波。这些密集的高次谐波可以被特定滤波器选择和压缩，从而产生孤立的阿秒脉冲。高次谐波是阿秒脉冲产生的重要技术，恰好可以涵盖EUV光刻生态链条中大家都喜欢的13.5nm波段。
美国NIST发表的文章“ Report from the Extreme Ultraviolet (EUV) Lithography Working Group Meeting: Current State, Needs, and Path Forward”, 用着重的章节提到利用 EUV 的短波长来探测深纳米级微电子器件的尺寸、材料和动态特性1，这就将高次谐波产生技术推向了千亿市场的半导体领域。
四，极紫外EUV光学器件
在阿秒科学中，极紫外EUV光学器件提供了关键的工具和技术，使得在这一短波长区域的复杂和精细的光学操作和实验成为可能。在EUV波段，常规的透镜由于其独特的波长不再适用，需要特定的如多层膜分束器、反射镜和曲面反射镜等光学元件进行脉冲的选通、调制、聚焦和成像。此外，EUV光学器件还对高次谐波的优化与调节起到关键作用，并能够测量和分析材料在EUV下的光学特性。
在EUV光刻技术中，精密的EUV光学元件起到了决定性的作用。它们采用特定设计的多层膜反射镜，以实现EUV光的高效反射和精确聚焦，进而与反射式掩模协同工作，确保微小的半导体图案能准确地传输到硅晶片上。为了应对EUV光的特性，如其高吸收率，这些光学元件必须进行精密的设计和制造。同时，它们要能够稳定地控制和调制光脉冲，确保一致的曝光，同时采取措施防止潜在的污染，以确保光刻过程的准确性和重复性，满足半导体产业对更高集成度和性能的需求。
五，电场分子指纹技术用于超高灵敏医学检测
阿秒脉冲可实现超高灵敏度的生物和医学应用，特别是在光谱分析和成像领域，这为获得样品的详细信息提供了独特的优势。根据诺贝尔奖网站2的介绍，本次获奖的F. Krausz团队结合宽带光学、超快激光源和精确的飞秒-阿秒场解析技术来开发电场分子指纹技术3，以检测生物流体中分子组成的变化。这为通过血液样本检测疾病的特征分子痕迹提供了一种新的体外诊断分析技术。其巨大优势在于可以同时监测许多分子，并且所使用的辐射是非电离的，因此不会造成伤害。
这种方法可以用于非侵入性地检测和分析生物分子，诸如蛋白质、核酸和小分子，并有潜力对疾病进行早期诊断。同时它们可以提供非常高的时间分辨率，使得研究人员可以观察和分析分子和电子的超快动态。总的来说，虽然阿秒脉冲在血液检测和其他生物医学应用中的研究仍然是一个发展中的领域，但其潜在的高灵敏度和解析度使其在未来的医学诊断技术中具有巨大的前景。
最后，为了给到投资人更大信心，必须要明确一下：阿秒科学中使用的尖端技术并不是其所独占的，比如，飞秒激光是阿秒脉冲产生的核心驱动源，但其已经在精密先进工业制造中发挥着不可替代的作用。光参量放大器是保证孤立阿秒产生所必需的周期量级脉冲和载波包络相位稳定的理想选择，但其“低配”版已经在材料科学，精密光谱和生命医学中不可替代的工具。孤立阿秒脉冲的前身是高次谐波，根据上文所提到的NIST发布的有关EUV光刻机的报告，基于台面高次谐波的极紫外光源作为重要分析工具，将在光刻生态中发挥重大作用。因此，阿秒科学中的前沿技术，其涵盖精密先进制造、半导体、材料科学以及生命科学领域，都是值得投资的“硬科技“。
由于笔者专业领域所限，难免有疏漏乃至错误，请大家指正。 投资有风险，决策需谨慎，如需更详细信息，请单独与我们联系。
参考资料：
（1） https://tsapps.nist.gov/publication/get_pdf.cfm?pub_id=956144
（2） https://www.nobelprize.org/uploads/2023/10/advanced-physicsprize2023.pdf
（3）M. Zigman, M. Huber, K. Kepesidis, L. Voronina, F. Fleischmann, E. Fill, J. Hermann, I. Koch, T. Kolben, G.B. Schulz, F. Jokish, N. Reinmuth, W. Gesierich, J. Behr, N. Harbeck, M. Reiser, C.G. Stief and F. Krausz, Ann. Oncol. 33, S580 (2022).
作者介绍
刘成，上海镱镭飞秒激光技术有限公司总经理，博士毕业于中国科学院物理研究所L07组，该研究组在中国最早产生和测量到孤立阿秒脉冲，其核心研究人员目前主导东莞阿秒科学装置。
王睿，上海镱镭飞秒激光技术有限公司研发总监，博士毕业于中国科学院物理研究所L07组，该研究组在中国最早产生和测量到孤立阿秒脉冲，其核心研究人员目前主导东莞阿秒科学装置。
王朋飞，上海镱镭飞秒激光技术有限公司非线性产品负责人，博士毕业于中国科学院上海光学精密机械研究所，自研究生阶段至今一直从事可用于阿秒驱动源的光学参量放大技术的研发和产品化工作。
王汉琛，上海镱镭飞秒激光技术有限公司高功率飞秒固体激光产品负责人，博士毕业于科罗拉多州立大学，自研究生阶段至今一直从事可用于阿秒及EUV驱动源的飞秒激光技术研发和产品化工作。