阿秒激光脉冲的形成机制

作为超快脉冲，它的第一特性自然是脉宽非常窄。目前的窄脉宽标志是阿秒，它是目前我们能控制的最短的一个时间过程。打一个比方来形容阿秒有多快，如果我们将一个阿秒当做是一秒的话，那么现实生活中的一秒就相当于目前宇宙的年龄。从微观的角度，我们知道光速是3×108 m/s，那么飞秒对应的空间距离是微米，而阿秒对应的空间距离是纳米，这也是空间科学、材料科学里非常前沿的领域。在原子结构里，涉及的原子内核外电子运动就是阿秒量级，要对这一过程进行观测，就需要阿秒级的超快脉冲。因此，产生阿秒脉冲，并用它来研究核内动力学，是物理学家长期以来的一个梦想。产生阿秒脉冲非常不容易，以前虽然科学家们知道利用飞秒激光与物质相互作用产生高次谐波，理论上高次谐波是阿秒量级的，但是测量不出来。直到2001年，人们测量到脉宽为650 as的阿秒脉冲，这标志着阿秒时代的到来。之后意大利的科学家做到了脉宽为130 as，到2008年进一步做到了脉宽为80 as。在2017年西安召开的国际阿秒物理会议上报道了两个工作，一个是脉宽达到53 as，一个是脉宽达到43 as。这两种脉冲是将红外激光作为驱动光源，利用红外飞秒激光打在气体上，产生高次谐波，最后实现阿秒脉冲。区别于以往钛宝石激光器的成果，这样的脉冲的中心波长，或者说光子能量达到了171 eV。如果我们要实现更窄的脉宽，就需要朝着更短的波长，即更高的光子能量前行。

上述是阿秒脉冲的一个发展史，目前产生阿秒脉冲的方法都是利用飞秒激光聚焦后与物质相互作用产生高次谐波。这样的一个高次谐波，会在驱动光的每半个光周期内产生。其背后的原理称为三步模型。简单来说，原子在强光场作用下，经过电离、加速、回复这样的三步过程。产生的高次谐波会存在低阶区、平台区和截止区三个区域。利用高次谐波，我们可以把波长做得非常短。这样的平台区合起来以后，在时域、频域上对应的就是阿秒脉冲阵列，但这样的阵列在强度上高低不一，所以在实际应用中需要单独拿出一个阿秒脉冲，这对应于高次谐波的某一部分。以F.Krausz的实验为例，实验要求只有几个周期的小于10 fs的飞秒激光作为驱动，与氖气相互作用，产生一系列的高次谐波。由于脉冲很窄，它可以产生超连续的高次谐波，这部分就容易对应单个的孤立阿秒脉冲。

有了阿秒脉冲，可以利用阿秒条纹相机（attosecond streaking）技术来对它进行测量。这项技术的原理是利用阿秒脉冲和产生高次谐波的光场会相互扫描、相互作用，从而得到光电子能谱信息，进而反演出阿秒脉冲自身的信息。(www.xing528.com)

目前虽然可以产生阿秒脉冲，但是能量还不高。因此我们实验室利用固体薄片首先将脉宽拓展到15.4 fs，再用啁啾镜将其压缩到5.4 fs用于产生阿秒脉冲，尽管脉宽不如气体激光，但是其能量利用率更好。更进一步，这样的方案如果控制它的载波包络相位，效果会比中空波导或者普通的块材料更好，更有利于阿秒实验。