对话曾志男：阿秒激光研究

2016年7月,国内第一本阿秒(1as=10-18s)激光方面的专著《阿秒激光技术》面世。书中详细讲解了亚飞秒和阿秒激光的基础知识,以及强场物理中相关领域的最新发展动态。

日前,中国激光微信编辑采访了本书第一作者——中科院上海光机所研究员曾志男。

曾志男研究员

曾志男简介

1976年出生,1998年获中国科学技术大学物理系学士学位,2003年获中科院上海光机所理学博士学位,也是我国系统开展阿秒脉冲产生研究的第一个博士研究生。 2010年获上海市“启明星”人才计划支持,2012年获国家自然科学基金“优秀青年基金”资助。

从事的主要研究方向包括:激光与原子、分子及团簇的相互作用;高次谐波和阿秒脉冲产生及应用;原子、分子及纳米材料中的超快电子动力学研究。

中国激光:写作《阿秒激光技术》的初衷是什么,整个过程花了多长时间?

曾志男:这本书写作的初衷一方面是接受了《现代激光技术及应用》丛书编委会的邀请,希望把阿秒激光技术作为现代激光技术的重要领域之一介绍给国内各个领域的读者,让大家对阿秒这个新的领域有一个深入的了解。

另一方面,“阿秒”这个概念最早出现在上世纪90年代初,实验上产生第一个小于1fs(进入“阿秒”时代)的激光脉冲在2001年。强光实验室也在上世纪90年代开始高次谐波产生的研究,后来逐渐开始阿秒脉冲产生的研究,算起来到开始本书写作的时候也有十几年的时间了。这本书也算是对强光实验室在阿秒这个领域这么多年的工作做一个总结,让大家对强光实验室的工作有一些了解。

从接受写作邀请开始,整个过程花了三年多的时间。

《阿秒激光技术》

中国激光:相比已经应用广泛的飞秒激光,阿秒激光的特色主要体现在哪些方面?

曾志男:阿秒激光最主要的特色就体现在它的名字“阿秒”上,反映在时间尺度上就是“快”。在最基础的微观世界,生物、化学和物理的界限正在逐步消失,因为其根本都是来自电子运动。例如分子内的电子运动负责生物信息传递、改变化学产物以及生物系统功能,信息处理的速度则可以通过采用更小的纳米电路来提高等等,这些电子运动的时间尺度会短至几十阿秒甚至更短。这么快的动力学过程的研究是阿秒激光领域发展的原动力,也是阿秒激光最主要的特色。

中国激光:阿秒激光脉冲的产生主要有哪些方法?

曾志男:原则上来说,产生阿秒激光脉冲的方法有很多,气体高次谐波、固体高次谐波和自由电子激光都可以。但是目前在实验室得以实现并应用的主要是气体高次谐波方法,也就是本书中介绍的方法。

气体高次谐波方法经过二十几年的发展,目前主要是基于少周期的、载波包络相位稳定的飞秒激光脉冲驱动,采用近单周期极短脉冲、偏振门、双色场等各种技术(组合)来实现单阿秒脉冲产生。这些技术手段在书中都有较详细的介绍,其核心目的均是将飞秒强激光与原子分子相互作用后产生的辐射限制在一个很短的时间内,从而产生一个单阿秒脉冲。

而固体高次谐波方法,需要在很高功率的激光器上才能实现,目前的稳定性还有待改进。

自由电子激光产生阿秒激光脉冲,目前还限于理论探讨,尚未见实验报道。

80as闪光可以对2.5fs光脉冲进行成像(图片来源:Science)

中国激光:阿秒激光的应用主要在哪些方面?

曾志男:阿秒激光因为其极端超快的特性,主要应用都是在电子动力学研究方面。利用阿秒脉冲,结合抽运-探测技术,目前已经可以探测数十阿秒的超快电子动力学过程。

在原子中,电子的电离过程、多电子的俄歇过程等都得到了广泛的研究。在分子中,分子的解离过程和控制、分子的振动和转动与超快电子运动的耦合等都得到了深入的研究。

目前,阿秒激光结合瞬态吸收谱技术已经从较早的原子分子体系拓展到了凝聚态体系的研究,结合阿秒激光的超快时间分辨和超宽的光谱范围,有可能为凝聚态物质这种复杂体系的电子动力学研究发展新的技术手段,开拓新的方向。

中国激光:强光实验室在阿秒激光方面的研究主要有哪些呢?

曾志男:实验室从一开始,为了突破发展阿秒光源面临的瓶颈问题,就选择了与国际主流不同的技术路线:我们不是通过压缩驱动飞秒激光脉冲的宽度来获得单个阿秒脉冲输出,而是采取对驱动飞秒激光光场进行亚周期时间尺度的精密调控,瞄准了采用脉宽较宽、强度较高的驱动激光获得阿秒脉冲输出的目标开展研究。

同时,实验室提出了多个创新方案,特别是采用双色场、多色场控制阿秒脉冲产生和压缩阿秒脉冲宽度。比如:我们研究了利用双色场控制单阿秒脉冲产生的机制和一些方案(PRL98,203901(2007);JPB41,215601(2008);OL33,234(2008);PRA81,033428(2010)等);研究了用双色场甚至多色场等方法优化产生的阿秒脉冲特性,例如用双色场补偿阿秒脉冲产生过程中的啁啾,获得近傅立叶变换极限的阿秒脉冲(PRL 103, 043904 (2009)),优化控制高次谐波和阿秒脉冲的产生效率(PRA 70,053809 (2004);PRA 75,051802(2007); PRL 110,233903 (2013))等。

近几年,随着光学参量放大(OPA)激光技术的发展和中红外长波长激光的出现,这方面的研究正在逐步拓展到以中红外波段激光驱动的高次谐波和阿秒脉冲产生研究。

中科院上海光机所—上海科技大学超强激光光源装置

中国激光:强光实验室最近在拍瓦激光方面取得了引人注目的成绩,这与阿秒激光有怎样的关系?

曾志男:拍瓦激光是我们实验室近几年的重要进展,其特点是超高的激光功率,有可能获得高功率的高次谐波和阿秒脉冲。基于实验室在飞秒高功率激光方面的发展,目前也正在开展一些高功率激光抽运的高次谐波产生实验研究。但是将来是否进一步将其拓展到高功率的阿秒脉冲产生研究,还需要进一步深入探索。

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