亚周期超快光场相干合成技术

随着超快激光脉冲宽度不断变窄,进一步产生单周期乃至亚周期的脉冲面临着巨大的技术挑战。通过脉冲载波包络相位精密控制技术相干合成多路超快光场,不仅是目前超快光学的重要前沿内容,也是实现亚周期脉冲极为有效的方案。结合本课题组近年来在相干合成方面的研究进展,介绍相干合成超快光场的主要技术内容,包括超宽带光谱的产生、色散管理及载波包络相位控制等技术。     

基于平衡光学互相关方法的超短脉冲激光相干合成技术

相干合成技术是超快光学领域的重要研究方向之一.当单路脉冲激光的连续谱超过一个倍频程时,精确控制其光谱相位(色散管理)是获得亚周期超短脉冲激光的关键.由于常见的脉冲压缩系统存在光谱带宽限制,因此多通道相干合成技术受到了广泛的关注.本文将充气空心光纤展宽后的超倍频程连续光谱分波段独立压缩,并利用平衡光学互相关方法锁定子脉冲之间的相位延迟,获得了4.1 fs的合成脉冲.实验结果表明相干合成技术在高能量亚周期超快光场调控中存在优势.     

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.     

原子在两色组合激光场中产生的单个阿秒脉冲

利用分裂算符法求解含时薛定谔方程,对一维氦原子处于红外场（IR）与紫外场（UV）组合的两色激光场中产生的高次谐波进行研究,分析了由高次谐波产生的阿秒脉冲的特征. 发现在组合场中可以通过增加红外场的强度,来缩短阿秒脉冲的宽度,通过调节组合场中两束激光的时间延迟,提高一个电子轨道对谐波的贡献,而抑制另一个电子轨道的贡献,从而得到低于100 as的单个脉冲. 关键词： 强激光场 组合场 高次谐波 阿秒脉冲     

双色激光脉冲辐照叠加态生成强的38 as孤立脉冲

采用多周期800 nm激光组合1 600 nm红外激光脉冲辐照氦离子He⁺叠加态生成强、短孤立阿秒脉冲. 结果表明,相对于800 nm单色激光辐照基态情形,截止频率由70次谐波大幅度展宽到280次谐波,且获得频宽为108 eV并由单一短量子路径贡献的连续辐射谱,叠加该连续谱210次到280次谐波获得了脉宽为38 as的强、短孤立脉冲,其强度比单色场情形提高了11个数量级. 研究进一步表明,两束激光脉冲的时间延迟从0.05π到－0.05π之间获得的孤立阿秒脉冲是最优化的,且脉冲持续时间 关键词： 组合激光脉冲 相干叠加态 阿秒脉冲     

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。     

强场X射线激光物理

相干X光,特别是X射线自由电子激光技术的发展提供了一种新的产生超强光场的途径.由于其较高的光子能量、高峰值功率密度与超短的脉冲长度,有望将强场激光物理从可见光波段推进到X光波段.目前,基于X射线的非线性原子分子物理已取得了初步进展,随着X射线光强的提升,相互作用将进入相对论物理、强场量子电动力学(quantum electrodynamics,QED)物理等领域,为激光驱动加速与辐射、QED真空、暗物质的产生与探测等带来新的科学发现机会.本文对强场X射线激光在固体中的尾场加速、真空极化、轴子的产生与探测等方面进行介绍,旨在阐明X射线波段强场物理在若干基础前沿与关键应用方面的独特优势,并对未来的发展方向进行展望.     

强短脉冲辐照叠加态原子增强阿秒脉冲强度

采用强短激光脉冲辐照叠加态原子提高孤立阿秒脉冲的强度。数值研究表明,与强短脉冲 (脉冲宽度只有几个光学周期的超短脉冲）辐照基态原子获得孤立阿秒脉冲相比,采用叠加 态原子的方案不仅同样可以获得孤立的阿秒脉冲,而且阿秒脉冲的强度得到显著增强。     

周期量级激光脉冲的Thomson散射

用经典辐射理论对线偏振周期量级激光脉冲的线性Thomson散射进行分析，从理论上得到它可产生亚阿秒脉冲的结论. 计算显示，在电子相对论因子为50、激光脉冲中心波长为1μm、归一化光场强度为0.01的情况下，用包含1.5个光周期的激光脉冲，可获得0.2as(半高全宽)的散射脉冲输出. 还对光场载波包络初相φ_ce和电子进入光场的初相φ_in对散射脉冲的影响作了分析讨论，结果表明，在适当的φ_ce和φ_in条件下，能实现单个阿秒脉冲输出，并可对脉冲宽度和频率进行调谐. 关键词： 线性Thomson散射 周期量级激光脉冲 载波包络初相 阿秒脉冲     

原子在红外激光场中产生高次谐波及阿秒脉冲随波长的变化规律

利用强场近似理论,研究了在长波红外激光场(波长800—2000 nm)驱动下氢原子产生的高次谐波,分析了在截止位置附近高次谐波的转换效率随激光波长的变化规律.发现在截止位置附近原子发射高次谐波的转换效率比平台区域的转换效率低,但获得的阿秒脉冲的宽度会随波长的增大而缩短. 关键词： 强场近似 高次谐波 阿秒脉冲     

基于瞬态光栅频率分辨光学开关装置的阿秒延时相位控制

操控多路激光脉冲之间的相对延时（相对相位）对于亚周期相干合成技术意义重大.当周期量级脉冲之间的相对延时接近数十飞秒时,常见的飞秒脉冲测量手段已无法满足脉冲之间相对相位的精确调控需求.本文基于瞬态光栅频率分辨光学开关装置,精确反演出脉冲之间的相对相位.此方案不仅有助于直接产生亚周期（亚飞秒）脉冲,还可应用于时间隐身学和二维相干光谱学等相关领域.     

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.     

强短脉冲辐照叠加态原子增强阿秒脉冲强度

采用强短激光脉冲辐照叠加态原子提高孤立阿秒脉冲的强度.数值研究表明,与强短脉冲(脉冲宽度只有几个光学周期的超短脉冲)辐照基态原子获得孤立阿秒脉冲相比,采用叠加态原子的方案不仅同样可以获得孤立的阿秒脉冲,而且阿秒脉冲的强度得到显著增强.     

利用三色组合脉冲激光获得孤立阿秒脉冲发射

孤立阿秒脉冲因可以跟踪和控制原子及分子内电子的运动过程而备受关注.本文从理论上开展了氦原子在3束飞秒脉冲激光组合场辐照下产生的高次谐波和阿秒脉冲辐射的研究.组合激光场由16 fs/1600 nm,15 fs/1100 nm和5.3 fs/800 nm的钛宝石脉冲构成.与前两束脉冲合成的双色场产生谐波谱相比,附加钛宝石脉冲的三色场产生的高次谐波发射谱呈现出高转换效率及宽带超连续特性,超连续谱范围覆盖从230—690次谐波,傅里叶变换后实现了128 as高强度孤立短脉冲的产生.该结果归因于合成的三色场呈现出高功率及少周期的中红外飞秒脉冲激光特性,可以有效控制原子电离以及复合发生在中红外飞秒脉冲的一个有效光学周期内.     

传播效应对宽带极紫外连续谱的影响

宽带极紫外连续谱是获得阿秒脉冲的重要途径,在此过程中传播效应是影响宽带极紫外连续谱产生的重要因素,本文针对传播效应对宽带极紫外连续谱的影响,采用慢变波近似的一阶传播方程,研究了传播过程对双色场周期量级激光脉冲产生宽带连续谱及其对应的单个阿秒脉冲的影响.通过分析不同聚焦位置和介质长度的传播过程,发现介质位于焦点之后有利于产生连续谱,同时随着介质长度的变长,虽然单个阿秒脉冲峰值强度有所提高,但是产生的阿秒脉冲宽度也会增加.进一步的分析表明,在特定的双色场延迟优化下,传播效应不仅使得阿秒脉冲强度增强,还可以获得与单原子模型下具有同样脉宽的单个阿秒脉冲,而不会因为传播效应导致阿秒脉冲宽度变宽.     

超短激光脉冲测量研究进展

超短激光脉冲作为产生阿秒激光与探索物质微观世界的重要工具,其时间特性的精确测量尤为重要。介绍了几种少周期激光脉冲的产生以及常用的表征技术,并将表征技术在广义上分为频域测量与时域测量两大类。在频域测量中,通过测量非线性过程产生的光谱信息来反演重构超短激光脉冲的包络及相位;在时域测量中,利用“超快门开关”直接对脉冲的光场信息进行采样,从而获取时间特性。两类技术在应用场景上各有侧重,频域测量因其装置简便快捷而被广泛应用在快速表征的实验场景中,而时域采样则因为可以直接获得光电场信息,常用于与光电场直接相关的超快物理实验。     

基于半解析自洽理论研究相对论激光脉冲驱动下阿秒X射线源的产生

发展了一种描述相对论激光脉冲与稠密等离子体相互作用产生阿秒X射线源的半解析自洽理论.该理论模型不仅可以获得等离子体界面的振荡轨迹、振荡面电场和磁场等物理参数,而且能够精确计算出激光脉冲驱动下阿秒X射线源的频谱,结果与粒子模拟程序一致.理论计算结果表明阿秒X射线源的辐射特性与等离子体界面随时演化过程相关,在周期量级激光场驱动下等离子体界面振荡振幅呈现中心不对称,通过改变激光场的载波包络相位实现对等离子体界面振荡的控制,获得准单阿秒X射线源.     

双色激光场中极端远紫外超连续谱相干辐射产生

通过脉宽为周期量级的超快强场激光脉冲与惰性气体原子的极端非线性相互作用,能够产生单个的阿秒量级的极端远紫外光脉冲。然而,现有的周期量级的激光脉冲的最短脉宽仍在两个光周期左右,尚不足以支持产生脉宽短于100as的单个极端远紫外脉冲。文章作者首次提出通过在一个周期量级(如6fs)激光脉冲上再叠加一个强度较弱但相对位相精确控制的二倍频激光,能够直接实现单个的65as光脉冲。如进一步经过位相补偿,将有望产生一个脉宽仅为23as的单脉冲,从而将阿秒光脉冲的时间宽度推进到短于一个原子时间单位。     

附加谐波脉冲生成强的39阿秒孤立脉冲

采用多周期800 nm激光组合它的27次谐波脉冲生成超短、宽频的孤立阿秒脉冲.研究表明,脉宽为1 fs的27次谐波脉冲可以有效地控制电子动力学过程.将其加入到单色激光场的特定时域,可以控制电离概率在半个光学周期内迅速提升,使得谐波的转化效率相对于单色场情形增强4个数量级,并实现单一的短量子路径选择,出现频宽为108 eV的超连续辐射谱,叠加该连续谱140次到210次谐波获得了脉宽为39as的强、短孤立脉冲.与文献[7]中采用5 fs/800 nm激光附加紫外阿秒脉冲的方法相比,该方案生成的连续谱频带增宽一 关键词： 组合激光脉冲 连续辐射谱 阿秒脉冲     

前言

正光场调控、传输及应用是当前国际光学与光子学领域的一个研究热点。光场调控一般可分为空域、时域以及时空域联合调控。空域调控主要是指调控光场振幅、偏振态、相位、空间相干结构等空间分布,以产生具有特殊空间分布的新型光场;时域调控主要是指调控激光脉冲形状、脉宽、啁啾以及相干特性,以产生极短极强激光。目前,光场调控研究主要涉及光场调控原理和技术、调控光场传输机理和特性、新型光