2016年7月,國內第一本阿秒(1as=10-18s)激光方面的專著《阿秒激光技術》面世。書中詳細講解了亞飛秒和阿秒激光的基礎知識,以及強場物理中相關領域的最新發展動態。
中國激光:阿秒激光脈沖的產生主要有哪些方法?
日前,中國激光微信編輯采訪了本書第一作者——中科院上海光機所研究員曾志男。
曾志男研究員
曾志男簡介
1976年出生,1998年獲中國科學技術大學物理系學士學位,2003年獲中科院上海光機所理學博士學位,也是我國系統開展阿秒脈沖產生研究的第一個博士研究生。 2010年獲上海市“啟明星”人才計劃支持,2012年獲國家自然科學基金“優秀青年基金”資助。
從事的主要研究方向包括:激光與原子、分子及團簇的相互作用;高次諧波和阿秒脈沖產生及應用;原子、分子及納米材料中的超快電子動力學研究。
中國激光:寫作《阿秒激光技術》的初衷是什么,整個過程花了多長時間?
曾志男:這本書寫作的初衷一方面是接受了《現代激光技術及應用》叢書編委會的邀請,希望把阿秒激光技術作為現代激光技術的重要領域之一介紹給國內各個領域的讀者,讓大家對阿秒這個新的領域有一個深入的了解。
另一方面,“阿秒”這個概念最早出現在上世紀90年代初,實驗上產生第一個小于1fs(進入“阿秒”時代)的激光脈沖在2001年。強光實驗室也在上世紀90年代開始高次諧波產生的研究,后來逐漸開始阿秒脈沖產生的研究,算起來到開始本書寫作的時候也有十幾年的時間了。這本書也算是對強光實驗室在阿秒這個領域這么多年的工作做一個總結,讓大家對強光實驗室的工作有一些了解。
從接受寫作邀請開始,整個過程花了三年多的時間。
《阿秒激光技術》
中國激光:相比已經應用廣泛的飛秒激光,阿秒激光的特色主要體現在哪些方面?
曾志男:阿秒激光最主要的特色就體現在它的名字“阿秒”上,反映在時間尺度上就是“快”。在最基礎的微觀世界,生物、化學和物理的界限正在逐步消失,因為其根本都是來自電子運動。例如分子內的電子運動負責生物信息傳遞、改變化學產物以及生物系統功能,信息處理的速度則可以通過采用更小的納米電路來提高等等,這些電子運動的時間尺度會短至幾十阿秒甚至更短。這么快的動力學過程的研究是阿秒激光領域發展的原動力,也是阿秒激光最主要的特色。
中國激光:阿秒激光脈沖的產生主要有哪些方法?
曾志男:原則上來說,產生阿秒激光脈沖的方法有很多,氣體高次諧波、固體高次諧波和自由電子激光都可以。但是目前在實驗室得以實現并應用的主要是氣體高次諧波方法,也就是本書中介紹的方法。
氣體高次諧波方法經過二十幾年的發展,目前主要是基于少周期的、載波包絡相位穩定的飛秒激光脈沖驅動,采用近單周期極短脈沖、偏振門、雙色場等各種技術(組合)來實現單阿秒脈沖產生。這些技術手段在書中都有較詳細的介紹,其核心目的均是將飛秒強激光與原子分子相互作用后產生的輻射限制在一個很短的時間內,從而產生一個單阿秒脈沖。
而固體高次諧波方法,需要在很高功率的激光器上才能實現,目前的穩定性還有待改進。
自由電子激光產生阿秒激光脈沖,目前還限于理論探討,尚未見實驗報道。
80as閃光可以對2.5fs光脈沖進行成像(圖片來源:Science)
中國激光:阿秒激光的應用主要在哪些方面?
曾志男:阿秒激光因為其極端超快的特性,主要應用都是在電子動力學研究方面。利用阿秒脈沖,結合抽運-探測技術,目前已經可以探測數十阿秒的超快電子動力學過程。
在原子中,電子的電離過程、多電子的俄歇過程等都得到了廣泛的研究。在分子中,分子的解離過程和控制、分子的振動和轉動與超快電子運動的耦合等都得到了深入的研究。
目前,阿秒激光結合瞬態吸收譜技術已經從較早的原子分子體系拓展到了凝聚態體系的研究,結合阿秒激光的超快時間分辨和超寬的光譜范圍,有可能為凝聚態物質這種復雜體系的電子動力學研究發展新的技術手段,開拓新的方向。
中國激光:強光實驗室在阿秒激光方面的研究主要有哪些呢?
曾志男:實驗室從一開始,為了突破發展阿秒光源面臨的瓶頸問題,就選擇了與國際主流不同的技術路線:我們不是通過壓縮驅動飛秒激光脈沖的寬度來獲得單個阿秒脈沖輸出,而是采取對驅動飛秒激光光場進行亞周期時間尺度的精密調控,瞄準了采用脈寬較寬、強度較高的驅動激光獲得阿秒脈沖輸出的目標開展研究。
同時,實驗室提出了多個創新方案,特別是采用雙色場、多色場控制阿秒脈沖產生和壓縮阿秒脈沖寬度。比如:我們研究了利用雙色場控制單阿秒脈沖產生的機制和一些方案(PRL98,203901(2007);JPB41,215601(2008);OL33,234(2008);PRA81,033428(2010)等);研究了用雙色場甚至多色場等方法優化產生的阿秒脈沖特性,例如用雙色場補償阿秒脈沖產生過程中的啁啾,獲得近傅立葉變換極限的阿秒脈沖(PRL 103, 043904 (2009)),優化控制高次諧波和阿秒脈沖的產生效率(PRA 70,053809 (2004);PRA 75,051802(2007); PRL 110,233903 (2013))等。
近幾年,隨著光學參量放大(OPA)激光技術的發展和中紅外長波長激光的出現,這方面的研究正在逐步拓展到以中紅外波段激光驅動的高次諧波和阿秒脈沖產生研究。
中科院上海光機所—上海科技大學超強激光光源裝置
中國激光:強光實驗室最近在拍瓦激光方面取得了引人注目的成績,這與阿秒激光有怎樣的關系?
曾志男:拍瓦激光是我們實驗室近幾年的重要進展,其特點是超高的激光功率,有可能獲得高功率的高次諧波和阿秒脈沖。基于實驗室在飛秒高功率激光方面的發展,目前也正在開展一些高功率激光抽運的高次諧波產生實驗研究。但是將來是否進一步將其拓展到高功率的阿秒脈沖產生研究,還需要進一步深入探索。
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