飞秒激光驱动的阿秒脉冲光源产生及控制

摘要

更短时间尺度更高时间分辨的超快测量是科学家不懈追求的目标之一。飞秒激光脉冲使人类对超快过程的认识有了巨大进步，并开辟和推动了超快光学、飞秒化学、飞秒生物学等相关领域的研究。而且飞秒激光驱动的高次谐波辐射为突破飞秒极限实现阿秒脉冲（1阿秒=10-18 秒）相干光源开辟了新途径。阿秒脉冲光源给超快探测技术带来了前所未有的时间分辨率，并开辟了阿秒时间尺度原子分子内部电子超快动力学过程的研究，从而打开了阿秒物理学的大门。
　　 实现阿秒超快测量的首要问题就是高效的超短单阿秒脉冲光源的产生、控制和测量，这也是阿秒物理学的核心问题之一。因此，我们集中开展高次谐波和阿秒脉冲光源的产生和控制研究，并进一步探索阿秒脉冲测量的新方法，开拓阿秒脉冲在超快控制和测量方面的应用。本文主要的研究内容、结论与创新性如下：
　　 (1)研究了阿秒脉冲光源的产生和控制机制。提出了双色场“电子加速门”控制阿秒脉冲辐射的新机制。在周期量级激光脉冲上叠加倍频光，可以有效地控制电子加速过程并拓展超连续高次谐波的谱宽，从而可以突破100阿秒壁垒获得亚100阿秒单脉冲光源。同时，我们首次提出了利用低频光作控制脉冲的方案，发现可以利用多光周期激光脉冲产生亚100阿秒的单脉冲光源。
　　 首次提出了“阿秒电离门”控制阿秒脉冲辐射的新机制。利用该方案可以将电子电离控制在300阿秒以内，进而可以在平台区产生超连续高次谐波和宽谱周期量级的单阿秒脉冲光源，并可以提高宽谱单阿秒脉冲光源的效率。
　　 另外，我们研究了激光和紫外光脉冲共同作用下的电离增强效应，并提出了基于电离增强的高效宽谱单阿秒脉冲光源产生的新方案。该方案可以在平台区实现周期量级的高效单阿秒脉冲光源，效率可以提高2个数量级。
　　 (2)系统研究了大核间距分子和不对称分子高次谐波和阿秒脉冲的特性。发现大核间距分子高次谐波有两个平台，第二个平台可以扩展高次谐波的谱宽，而且谐波的辐射时间是同步的，相位锁定得非常好。利用大核间距分子，也可以获得宽谱亚100阿秒脉冲光源。另外，我们还研究了不对称分子高次谐波特性。发现不对称分子产生了奇偶并存的高次谐波，而且每个光周期仅辐射出一个阿秒脉冲。利用不对称分子的特性，我们提出了产生相位一致的阿秒脉冲光源的新方案。相位一致的阿秒脉冲不仅可以精确地控制超快过程，而且可以作为产生紫外光梳的一个途径，在超快测量和超快光谱学领域都有重要的价值。并且，我们发现可以利用多光周期(12飞秒)激光和不对称分子作用可以产生单阿秒脉冲光源，进一步采用周期量级激光脉冲(5飞秒)可以在平台区产生宽谱超连续高次谐波和亚100阿秒的单阿秒脉冲光源。
　　 (3)研究了测量阿秒脉冲脉宽的方法。通过分析阿秒脉冲和激光脉冲共同作用下电子电离过程得到了阿秒脉冲宽度和电子能谱带宽的直接关系。利用两者的关系可以直接精确地测量阿秒脉宽，这为阿秒脉冲脉宽的测量提供了简单有效的方法。
　　 (4)我们开拓了阿秒脉冲光源在超快探测中的应用。首次提出了“阿秒时间滤片”新技术。该方案可以分辨每个电子轨道对应的高次谐波辐射，进而可以实现高次谐波辐射过程的实时测量，并揭示谐波辐射过程的非绝热效应。同时，利用“阿秒时间滤片”技术可以在原处测量激光脉冲的载波包络相位、脉宽等信息。并且，该方案测量多光周期激光脉冲的相位。另外，我们还揭示了过饱和电离低能电子的左右不对称性。利用该特性可以实现周期量级脉冲载波包络相位的单脉冲测量。
　　 (5)为了进一步探索阿秒、亚阿秒脉冲光源的产生机制，开展了超强激光作用下相对论电子辐射特性的研究，提出了单阿秒、亚阿秒脉冲光源产生和控制的新方案。这对亚阿秒脉冲光源的研究有重要的指导意义，并会激发阿秒物理学进一步的研究。