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(fā)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(fā)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(fā)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(xiàn)。

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?；谶@些特性，激光已被廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、軍事、信息、醫(yī)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(fā)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(xiàn)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(fā)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(huán)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(tǒng)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：

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[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）