超快科学 | 光波形合成器实现稳定的高能量孤立阿秒脉冲输出

导读

近年来随着高强度飞秒激光光源及其相关技术的不断拓展，在超快现象研究领域时间尺度上更短的阿秒（10-18s）相关科学成为了重要前沿。然而，通过高次谐波技术产生的阿秒激光脉冲，由于能量转换效率低等原因输出的能量非常有限，这成为了当前制约阿秒科学及其相关研究进展的关键瓶颈。因此，如何有效的提升阿秒脉冲的输出能量成为了光源相关研究的重要方向。

引用格式：Bing Xue, Yuuki Tamaru, Yuxi Fu, Hua Yuan, Pengfei Lan, Oliver D. Mücke, Akira Suda, Katsumi Midorikawa, Eiji J. Takahashi, "A Custom-Tailored Multi-TW Optical Electric Field for Gigawatt Soft-X-Ray Isolated Attosecond Pulses", Ultrafast Science, vol. 2021, Article ID 9828026, 13 pages, 2021.

DOI：https://doi.org/10.34133/2021/9828026

目前，相比于通过高次谐波技术产生阿秒脉冲的光源，建立在电子加速器装置上的X射线自由电子激光器被认为更容易获得千兆瓦（GW）级的高能量孤立阿秒脉冲输出。然而该类大规模光源的适用性却极大受限于其昂贵的成本及其基于自发辐射系统的低稳定性等缺点。为了在更为广泛的实验室规模上获得稳定的高能量孤立阿秒脉冲光源，日本理化学研究所(RIKEN)的阿秒科学研究团队利用成熟的高强度近红外飞秒激光系统结合光波形合成理论，在实验中实现了稳定可控的高强度多色相干合成激光场，进而优化了高次谐波产生过程的转换效率，成功得到了240纳焦（GW级，氩气室中产生）的稳定孤立阿秒脉冲输出。

根据高次谐波产生和光波形合成器的理论，通过相干合成多个不同频率的多周期激光场，可以构建出一个短周期的驱动激光电场，将阿秒脉冲的产生过程控制在一个光周期内，并进一步通过对驱动激光电场的精细调谐，从而实现了增益的孤立阿秒脉冲输出。实验中通过搭建高能量飞秒光学参量放大器，构建了总能量为53毫焦的三色近红外光波形合成器作为驱动光源，并采用了包括松聚焦等一系列高次谐波产生技术，在氩气及氖气中分别获得了截止频率在软X射线频段的超连续谱（孤立阿秒脉冲）输出。

图1. 左右两图各自显示了由光波形合成器驱动的，分别在氩气及氖气中产生的高次谐波光谱；以及在三通道驱动条件下获得的超连续谱所对应的孤立阿秒脉冲宽度。

当光波形合成器的某个分路光脉冲延时或相位相对发生微小的改变时，常常会使合成的光电场波形产生较大的变化，这将极大影响最终阿秒脉冲输出的稳定性。因此怎样建立一个全稳定的合成光电场是光波形合成技术的关键。实验中解决了包括对低重复频率光源下的载波包络相位（CEP）稳定，分路光脉冲间延时及相位抖动的高精度补偿等技术难题，成功获得了对合成光电场的稳定控制与孤立阿秒脉冲的稳定输出。该特性随后在通过对合成光电场进行调谐，进而对由高次谐波产生的超连续谱实现了增益调制中得到了有效验证。

 图2. a和b分别显示了当对光波形合成器中的泵浦光脉冲与闲频光脉冲分别单独进行延时变化时，对应其在氩气室中由高次谐波产生的超连续谱的增益调制特性。

总结和展望

稳定的高能量GW孤立阿秒脉冲在实验室级别的成功产生，为阿秒科学进入应用层面打开了实用性的大门。对于现阶段人们尚未明确的，如原子内壳层电子运动，大分子内电荷转移等一系列超快动力学现象的研究提供了有力的探索手段。稳定的高强度光波形合成器的成功建立，也为今后更深入更广泛的开展超快科学研究提供了坚实的实验基础。

主要作者简介

薛冰，日本理化学研究所基础科学特别研究员，博士后。主要从事高能量超快激光光源，以及物质的超快动力学过程等方向的相关研究。在超快飞秒脉冲与生物分子的相互作用，高能量孤立阿秒脉冲的产生方面取得了一些创新性研究成果。

薛冰

高桥栄治，日本理化学研究所专任研究员。在获得博士学位后，他为日本理化学研究所的高能量高次谐波光源及其光谱学应用的早期工作做出了贡献。2004年，他加入日本分子科学研究所，任助理教授。2006年后重新加入理化学研究所，成为阿秒科学研究组成员。目前主要从事于千兆瓦级孤立阿秒脉冲的产生和基于双啁啾光学参量放大的高能量中红外激光系统的开发。他的研究兴趣包括高强度激光与物质的相互作用、相干软X射线以及深紫外激光脉冲的产生、阿秒科学和包括激光波形合成器在内的高功率激光技术。

高桥栄治

Ultrafast Science，a science partner journal , 双月刊，由中国科学院主管、中国科学院西安光学精密机械研究所主办。办刊宗旨为：刊载超快科学研究领域的新理论、新技术、新进展、促进学术交流，推动成果转化，提高我国在该领域的科研水平和国际影响力。　

期刊报道范围为阿秒光源、阿秒物理、超快激光和应用、超快成像、超快光谱、超快诊断、超快材料和探测器、超快太赫兹光子、超快电子、超快化学物理等。

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