双色场控制与测量原子分子超快电子动力学过程的研究进展

超短超快激光脉冲的出现为人们探索原子分子中超快电子动力学过程提供了强有力的工具.阿秒脉冲和强激光脉冲电场整形技术能够获得电子波包在亚飞秒时间尺度的动力学信息,发展出了一系列阿秒超快光谱学技术,如阿秒条纹相机、阿秒瞬态吸收谱等,成功地应用于原子、分子和固体中电子运动的探测.其中双色激光场就是通过电场整形技术实现电子相干运动控制和探测的一种重要手段,本文综述了中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室近几年来在双色场控制与测量原子分子超快过程方面的研究工作.     

高相干超快电子源研究进展

以原子级时空分辨监测物质的动力学行为并从最根本层面理解自然界中的微观基本过程一直是飞秒物理、飞秒化学以及飞秒生物学研究的目标.时间分辨电子衍射巧妙地结合了抽运-探测技术和电子衍射技术,可实现直接"观察"和"冻结"类似的超快过程.然而,目前常用的超快电子探针的横向相干性仍受到电子源的初始尺寸、有效温度、能量弥散以及电子间固有库仑排斥的限制,还很难分辨化学和生物相关的复杂有机分子.近年来大量研究工作都集中在发展高相干的超短电子源,其不仅对时间分辨电子衍射研究起到推动作用,也将极大地促进超快电子显微镜、相干衍射成像以及叠层成像等的发展.本综述以相干性为主线,介绍了几种常用平面阴极光电发射源的研究进展,并从产生机理、独有特性和实验成果方面讨论了尖端发射源和冷原子电子源这两类新型的高相干超快电子源,最后对衍射技术的相干性发展和未来应用进行了展望.     

超快强激光驱动的原子分子电离

强场电离是超快强激光与物质相互作用时发生的基本物理过程。强场驱动原子分子的电离电子动力学过程发生在一个光学振荡周期以内,是在阿秒时间尺度上研究电子超快动力学的典范。不仅如此,强场驱动下的超短电子束还为探测原子分子的结构及其超快动力学提供了重要的技术手段。文章首先简要阐述了超快强光场中原子分子电离的基本物理图像,在此基础上,介绍了近年来基于强场电离电子开展的超快过程研究的几个例子,最后简要讨论了强场电离研究的未来可能发展方向。     

阿秒脉冲测量的研究进展

对于发生在原子范围内的电子动力学过程的观测需要阿秒量级的时间分辨率.理论和实验研究都已证明,用周期量级超短脉冲直接泵浦的高次谐波过程可以产生阿秒脉冲序列甚至单个的阿秒脉冲,将阿秒脉冲用于测量超快动力学过程之前先要对阿秒脉冲本身性质做出描述,传统的自相关方法和互相关方法不能直接推广到阿秒量级超短脉冲的测量.文章详细介绍了近几年发展起来的阿秒脉冲测量方法,分析了它们的分辨极限和局限性.     

电子动力学及相干辐射的强场调控与阿秒探测*--强场与阿秒物理领域中的重大课题研究进展

电子动力学及相干辐射的强场调控与阿秒探测是强场物理与阿秒物理领域中的重大课题。通过同步探测阿秒辐射和太赫兹辐射,文章作者首次实现了阿秒精度的太赫兹产生动力学的探测与控制,表明阿秒物理与太赫兹技术的结合有助于深入理解强场驱动下太赫兹产生机制和电子再散射动力学,展示了利用双色场控制电子波包相干相位,实现超快物理过程强场调控的可能。文章作者所提出的精确刻画太赫兹时域瞬时电场方案,有助于推动极化敏感的太赫兹谱学研究。可以预期,阿秒脉冲与太赫兹源技术不会局限于原子分子物理领域。实现阿秒物理与太赫兹技术之间的互为抽运与探测,将会极大地推动化学、材料科学、凝聚态物理等领域的高时空分辨的超快动力学探测。     

强激光等离子体相互作用驱动高次谐波与阿秒辐射研究进展

对超快过程的探测和控制决定了人类在微观层面认识和改造物质世界的能力.阿秒光源可完成对组成物质的电子运动及其关联效应进行超高时空分辨的探测和操控,为人类认识微观世界提供了全新手段,被认为是激光科学史上最重要的里程碑之一.世界主要科技强国都将阿秒科学列为未来10年重要的科技发展方向.利用强激光与物质相互作用产生高次谐波是突破飞秒极限实现高亮度阿秒脉冲辐射的重要方案之一,成为了近年来激光等离子体领域的研究热点.本文聚焦强激光与等离子体相互作用中的高次谐波和阿秒脉冲辐射,主要介绍其产生机制、研究进展和前沿应用,并对未来的发展趋势和创新突破进行展望.     

强场亚周期光脉冲研究

强场亚周期光脉冲的产生是未来激光光源发展所追求的先进内容之一,其不仅标志了超快激光技术的前进方向,并且将开启新型强场光与物质相互作用研究的大门。作为当前强场物理研究的一个重要课题——阿秒脉冲技术,强场亚周期光脉冲的出现将带给它新的发展机遇。强场亚周期光脉冲不仅可以直接产生极紫外波段孤立阿秒脉冲,而且其光电场的可裁剪性能够用来优化阿秒脉冲的产生。然而,亚周期光脉冲对应的超宽带光谱,使强场亚周期光脉冲的产生面临很大的挑战性。将多个中心波长不同的少周期超短脉冲进行合并的光场相干合成技术是实现强场亚周期光脉冲的有效技术。文章将介绍亚周期光脉冲的研究进展,着重描述基于光场相干合成技术的强场亚周期光脉冲产生方法。     

相对论圆偏振激光与固体靶作用产生高次谐波

超短超强激光与固体靶表面等离子体相互作用可以通过高次谐波的方式产生从极紫外到软X射线波段的相干辐射,获得飞秒甚至阿秒量级的超短脉冲,可用于观测原子或分子中的电子运动等超快动力学过程.本文实验研究了相对论圆偏振飞秒激光与固体靶相互作用的高次谐波产生过程,实验结果表明,在较大入射角下,圆偏振激光也可以有效地产生高次谐波辐射.通过预脉冲控制靶表面的预等离子体密度标长,发现高次谐波的产生效率随密度标长的增加而单调下降.进一步通过二维粒子模拟程序,分析了激光的偏振以及预等离子体密度标长对高次谐波产生的影响,很好地解释了实验观测结果.     

利用阿秒激光追踪和控制原子分子内部电子的运动(英文)

随着强激光技术的快速发展,在物质与激光相互作用下,实验上发现了很多新奇的物理现象。这些现象成功地被各种理论模型和数值模拟所解释和证明。一种很重要的现象就是所谓的高次谐波产生:在原子和分子与强激光相互作用时,能够放出能量为基频光子能量几倍到几百倍的大能量光子。在实验上,人们已经可以通过合成截止频率附近的几个谐波来产生脉冲长度在阿秒量级的激光脉冲(1阿秒=10~(-18)s)。阿秒脉冲的获得开启了超快科学一个全新的领域:人们可以在电子运动的自然时间尺度上去探测和操控原子分子内部电子的运动,这是继飞秒科学后人们操控微观世界物质运动的又一大飞跃。在本文中,我们就最近几年我们在理论上所开展的阿秒物理做一个简单的综述,重点强调利用阿秒光去控制电子的电离动力学以及探测分子内部电子运动。     

利用阿秒激光追踪和控制原子分子内部电子的运动

随着强激光技术的快速发展, 在物质与激光相互作用下,实验上发现了很多新奇的物理现象。这些现象成功地被各种理论模型和数值模拟所解释和证明。一种很重要的现象就是所谓的高次谐波产生：在原子和分子与强激光相互作用时, 能够放出能量为基频光子能量几倍到几百倍的大能量光子。在实验上, 人们已经可以通过合成截止频率附近的几个谐波来产生脉冲长度在阿秒量级的激光脉冲（1阿秒=10-18秒）。阿秒脉冲的获得开启了超快科学一个全新的领域：人们可以在电子运动的自然时间尺度上去探测和操控原子分子内部电子的运动,这是继飞秒科学后人们操控微观世界物质运动的又一大飞跃。在本文中,我们就最近几年我们在理论上所开展的阿秒物理做一个简单的综述,重点强调利用阿秒光去控制电子的电离动力学以及探测分子内部电子运动.     

探测凝聚态材料中电子的阿秒动力学以及相互作用过程（特邀）

随着高次谐波阿秒光源技术以及阿秒计量学的发展,对于凝聚态材料中的电子动力学探测也进入了阿秒的领域,并在近15年的时间里取得了显著的进展和突破。新颖的阿秒测量方式为研究在极短的时间尺度上,凝聚态材料中电子的运动、共振跃迁以及相互作用等重要物理问题提供了全新的研究手段和重要创新机遇。本文介绍了探测凝聚态物质中本征阿秒动力学过程的重要工作,主要综述了高次谐波、阿秒脉冲测量、凝聚态材料阿秒光电子能谱探测的关键技术和现状。最后对阿秒光电子动力学测量技术的发展做出了展望。     

原子级时间与空间尺度的电子加速、轨道操控与阿秒脉冲产生

1引言阿秒脉冲的产生对于超快科学的发展具有非常重要的意义,作为一种具有极高分辨率的工具,可用于观察和控制原子内部电子的动力学行为,比如内壳层电子的弛豫和隧道电离过程等等。     

阿秒脉冲的发展及其在原子分子超快动力学中的应用

在过去20年里,激光技术的发展使阿秒科学成为一个新的研究领域,可为量子少体超快演化过程的研究提供新视角.当前实验室中制备的阿秒脉冲以孤立脉冲或脉冲串的形式被广泛应用于实验研究中,其超快变化的光场允许人们操控和跟踪电子在原子尺度的运动,实现对亚飞秒时间尺度电子动力学的实时追踪.本综述聚焦于阿秒科学的重要组成部分,即原子分子超快动力学研究的进展.首先介绍阿秒脉冲的产生和发展,主要包括高次谐波原理和孤立阿秒脉冲分离方法;然后系统地介绍阿秒脉冲在原子分子超快动力学研究中的应用,包括光电离时间延迟、阿秒电荷迁移和非绝热分子动力学等方面;最后对阿秒脉冲在原子分子超快动力学研究中的应用进行总结和展望.     

时间分辨电子显微镜的可行性研究

文章从理论上分析了飞秒激光与金属阴极的相互作用过程．将飞秒激光与金属阴极产生的超短电子脉冲作为电子源，提出了一种具有时间分辨能力的电子显微镜(TREM)的概念设计．文章作者详细地研究了这种电子显微镜的可行性，并讨论了超短电子脉冲的传输和控制问题．     

光磁相互作用及自旋极化的光学调控

近年来,超短激光脉冲的发展为人们在极端时间尺度上研究光与物质的相互作用提供了有 效工具。皮秒时间尺度上研究磁有序材料中的自旋动力学过程已经成为凝聚态物理研究的热点, 促进了自旋电子学的发展。本论文基于飞秒激光抽运–探测技术,介绍了半导体及其纳米结构中 光注入自旋极化及其弛豫过程;综述了铁磁性薄膜中的超快退磁,激光诱导磁阻尼进动和逆法拉 第效应; 利用太赫兹脉冲的磁场分量,研究了反铁磁晶体中自旋共振模式的激发,相干控制以 及自旋重取向的探测; 最后介绍了超快光谱用于研究多铁性材料中电子、晶格和自旋间的耦合。 了解不同材料在超快时间尺度上的磁光、光磁效应的最新进展,有助于在磁有序的超快光控制研 究领域做出原创性的工作。     

超热电子的产生与定向发射

在超短超强激光与等离子体相互作用的过程中，等离子体中的一部分电子通过各种机制吸收能量转变成为高能的超热电子．它们不仅是惯性约束核聚变“快点火”过程中的能量载体，对激光脉冲在等离子体中的传输、能量沉积、转化等一系列过程也都发挥着重要的作用．文章对超短超强激光与等离子体相互作用过程中超热电子产生的主要物理机制以及影响超热电子定向发射的因素进行了介绍．     

强激光场原子隧道电离的研究新进展

光与物质的相互作用一直是科学的主旋律之一.随着超强超短激光技术的快速发展,如今人们可以研究单个原子的内部世界,并调控光与电子的相互作用,从而实现了对原子内电子的超快动力学过程的探索.强激光诱导的原子隧道电离是众多强场物理现象的基石,具有重要的研究意义,也是研究前沿的热点之一.综述了强场原子隧道电离的最新研究进展,基于隧...     

超快激光的新前沿—阿秒科学

超短脉冲激光正在进行着从飞秒（1fs=10^-15s)向阿秒（1attosecond=10^-18s)的跨越,这一跨越对于激光原理和激光应用来说都有很重要的意义,文章通过阿秒脉冲与飞秒脉冲比较来介绍超快激光的新前沿－阿秒科学,包括阿秒科学的诞生,现状以及由于阿秒脉冲的产生而出现的阿秒科学的概况 。     

阿秒精度的定时控制与前沿应用

精密的定时控制在探索前沿科学过程中不可或缺,它是先进科学探测装置在极限条件下高性能工作的重要保障。阿秒精度的定时控制技术,为科学探测装置实现更精细、更快速、更高能量、更高分辨率的观测提供了有力的技术支撑。文章介绍阿秒抖动的光学主时钟发生器,阿秒精度的定时信号向光学、无线电信号源的分发技术,以及长链路的高精度时间误差补偿技术的科学原理,并介绍了这些前沿技术在X射线自由电子激光器、超强超短激光装置、大规模射电望远镜阵列中的应用。     

基于高次谐波阿秒光源的超快测量技术(特邀)

台式阿秒相干光源在过去20多年取得了飞速的发展,其研究重心已经从早期的产生与测量机理的探索逐渐过渡到了极端时间尺度超快过程的追踪及操控上。目前阿秒时间分辨的谱学技术不仅能实现简单的原子分子体系瞬态过程的直接追踪,还被逐步应用到化学分子、生物分子、固体材料等复杂体系的测量中。本文回顾了基于阿秒光源的超快测量技术的发展,介绍了相关技术的原理及其在物理、化学、信息科学领域的应用研究。