近期，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點實驗室阿秒研究團隊取得新進展，在攻克了一系列阿秒脈沖產(chǎn)生與測量關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上，在實驗上首次獲得了159as的孤立阿秒脈沖測量結(jié)果。

阿秒脈沖的產(chǎn)生機理來自超短超強激光與物質(zhì)極端非線性作用中的高次諧波產(chǎn)生過程，高次諧波在時域表現(xiàn)為間距半個光周期的阿秒脈沖序列，而對很多應(yīng)用來說，需要從阿秒脈沖序列中選擇出單個或孤立阿秒脈沖，此外由于高次諧波的產(chǎn)生效率非常低（通常為10－6甚至更低），產(chǎn)生的阿秒脈沖能量非常低（一般為納焦或亞納焦級），傳統(tǒng)的飛秒脈沖自相關(guān)測量技術(shù)難以直接應(yīng)用。孤立阿秒脈沖的產(chǎn)生與測量已成為阿秒技術(shù)及應(yīng)用中的核心關(guān)鍵技術(shù)。

為了實現(xiàn)高效孤立阿秒脈沖的產(chǎn)生，團隊在實驗中首先將中心波長750nm、載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的少周期鈦寶石飛秒脈沖聚焦到Ne氣靶上激發(fā)出極紫外（XUV）波段的高次諧波，并采用雙光學(xué)選通門方法整形飛秒脈沖驅(qū)動光電場形狀，使得只有半個驅(qū)動光周期能夠產(chǎn)生阿秒脈沖輻射，實現(xiàn)了孤立阿秒脈沖的選通。同時，為實現(xiàn)高轉(zhuǎn)化效率的孤立阿秒脈沖產(chǎn)生，團隊通過優(yōu)化驅(qū)動光脈沖與惰性氣體相互作用參數(shù)來實現(xiàn)相位匹配，并采用薄膜濾波技術(shù)用于毫焦量級的紅外驅(qū)動光與納焦量級的XUV阿秒脈沖的有效分離，同時實現(xiàn)了孤立阿秒脈沖的色散補償。

此外，團隊自主設(shè)計與研制了一套高能量分辨率阿秒條紋相機。阿秒條紋相機是目前孤立阿秒脈沖最為廣泛的測量方法，其原理是首先XUV阿秒脈沖與惰性氣體靶相互作用產(chǎn)生阿秒光電子，并在近紅外光電場中得到調(diào)制，通過時間延遲掃描獲得阿秒光電子譜圖，并通過反演重構(gòu)算法得到阿秒脈沖的光電場分布和脈沖寬度等信息，其核心技術(shù)是測量光電子動量的時間飛行譜儀的設(shè)計與研制。團隊利用電子光學(xué)技術(shù)自主設(shè)計并研制成長度2m的時間飛行譜儀，該譜儀采取磁瓶式結(jié)構(gòu)，解決了光電離后發(fā)散角大導(dǎo)致的光電子收集效率低的難題。另外，采用實時反饋的同步鎖定技術(shù)實現(xiàn)了近紅外泵浦光與XUV探測光脈沖之間高精度的同步和穩(wěn)定。

基于以上關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，利用獲得的阿秒光電子條紋譜經(jīng)反演重構(gòu)算法得到了孤立阿秒脈沖的譜相位及脈寬信息，最終孤立阿秒脈沖寬度為159as，進一步優(yōu)化色散補償過程，可獲得更窄的阿秒脈沖寬度。

該研究工作得到國家自然科學(xué)基金重大項目、中科院創(chuàng)新國際團隊、中科院關(guān)鍵技術(shù)人才團隊、西部青年學(xué)者項目等的資助，該工作也得到中科院光電研究院博士李捷的大力幫助。

阿秒脈沖時域及相位分布

圖片來源：西安光學(xué)精密機械研究所

阿秒脈沖光譜及相位分布

圖片來源：西安光學(xué)精密機械研究所