超短超強光脈沖的產生和應用

王敏

摘要：本文簡述了超短超強激光脈沖的產生、發展和應用，并介紹了采用高次諧波合成超短阿秒脈沖的最新進展。

關鍵詞：激光 ? 阿秒脈沖 ? 產生 ? 應用

從利用自然光（太陽）到人造光源（電燈）的誕生，人類在制備和使用光源的道路上邁出了艱難的第一步。隨著量子力學和泵浦技術的發展，科學家提出了制備激光器的方案，并于1960年由美國加利福尼亞修斯航空公司的研究員梅曼發明了世界上第一臺激光器。在隨后短短的幾年內，氣體激光器、液體激光器、固體激光器和半導體激光器等被相繼研制出來。

我國在激光器研制方面起步較早。1961年，中國第一臺激光器由中國科學院長春光學精密機械研究所研制成功。各國科學家一直致力于獲得輸出功率大（超強）、脈沖寬度窄（超短）的激光。截至目前，美國、英國、法國、日本和中國的幾個實驗室的激光峰值功率達到拍瓦（1015瓦）量級。如此強的激光已被用于受控核聚變，脈寬短到2.84fs （1fs=10-15秒）的超短激光已被實現。

超短超強激光的產生與激光技術的進步是分不開的。第一代激光技術包括調Q和鎖模，獲得了峰值功率為GW（109瓦）和脈寬為ps（1ps=10-12秒）量級;第二代激光技術為啁啾脈沖放大（CPA），峰值功率和脈沖寬度分別達到TW（1012瓦）和亞皮秒量級;第三代激光技術為光學參數啁啾脈沖放大（OPCPA），峰值功率和脈沖寬度分別達到PW（1015瓦）和幾個fs （1fs=10-15秒）量級。

激光與普通光源相比，具有方向性好、單色性好、相干性好和高亮度四個特性。基于這些特性，激光已被廣泛應用于工業、農業、軍事、信息、醫療和科研等領域。譬如激光切割、激光打孔、激光焊接、激光熱處理、激光育種、激光雷達、激光武器、激光掃描、激光手術等。激光技術的發展對一些新學科的誕生起到了推動作用，如飛秒化學，美國加州理工學院的艾哈邁德·澤維爾科研團隊采用飛秒激光研究化學反應中的超快動力學過程，能實時觀察化學鍵的斷裂、成鍵等超快過程;激光冷卻技術為實現玻色-愛因斯坦凝聚提供了強有力的技術支持，激光冷卻技術和捕獲原子方法獲得了1997年諾貝爾物理學獎，而玻色-愛因斯坦凝聚獲得了2001年諾貝爾物理學獎。強激光還被用于可控核聚變，助力于解決未來的能源問題。2016年12月1日，由歐盟、美國、中國、日本、韓國、印度和俄羅斯共同參與的國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）計劃正式開始實施。

對于探測原子分子中電子的超快動力學過程，飛秒脈沖則顯得無能為力，需要利用脈寬更短的阿秒脈沖（1as=10-18秒），高次諧波已成為科學家產生阿秒脈沖的主要途徑。高次諧波的產生機制可用三步模型來解釋：電子首先從原子分子中電離出來，然后在激光場中演化，最后被拉回到母核附近發生復合，同時放出一個諧波光子。在近十幾年內，阿秒脈沖的產生取得了一些突破。德國馬克思普朗克研究所的F·克勞茲小組采用幾個飛秒的短激光脈沖驅動惰性氣體，先后產生了脈寬分別為650as、250as和80as的阿秒脈沖;意大利科學家G·桑松團隊采用偏振門技術獲得了脈寬為130as的阿秒脈沖;美國中佛羅里達大學的Z·Chang科研小組采用光學門技術分別產生了脈寬為67as和53as的超短阿秒脈沖;最近，瑞士科學家采用中紅外激光驅動原子獲得了目前最短的阿秒脈沖（脈寬為43as）。阿秒脈沖已被用于實時觀測原子中電子的超快運動，如電子隧穿、內殼層電子的動力學等。如果人們試圖實時觀測原子中核子的超快運動，需要采用仄秒（1zs=10-21秒）量級的超短阿秒脈沖。筆者相信在不久的將來，世界將進入仄秒物理的時代。

激光物理已被廣泛應用到生活的方方面面，為提高人們的生活質量做出了顯著貢獻，為科學家探索物質在極端環境下的性質提供了有力的工具，使得人們有能力研究阿秒量級上的超快過程。鑒于激光物理在物理學領域的杰出貢獻，2018年諾貝爾物理學獎授予了美國物理學家阿瑟·阿什金、加拿大物理學家唐娜·斯特里克蘭和法國物理學家熱拉爾·穆魯。阿瑟·阿什金;因“用于光學鑷子及其在生物系統中的應用”而獲獎，唐娜·斯特里克蘭和熱拉爾·穆魯因“生成高強度、超短光脈沖的方法”而獲獎。

參考文獻：

[1]左強，宋丹丹，楊志紅等.雙色場中驅動脈沖相位對產生高次諧波和超短阿秒脈沖的影響[J].通訊世界，2017，（23）.

[2]徐小虎，夏昌龍，郭志偉等.啁啾場調控的高次諧波空間分布及孤立阿秒脈沖產生[J].中國激光，2018，（6）.

（作者單位：甘肅省蘭州市第五中學）