美国激光器发展趋势：更短、更快、更强

2013-08-16 09:44

　　阿秒激光器可为单个电子活动“摄像”

　　2011年一国际科研团队研制出一种新的阿秒级（1阿秒=10-18秒）激光器，当单个电子参与化学反应时，这种激光器或可为其“摄像”，这是迄今为止最高清、最快速的数据收集活动。一旦取得成功，新激光系统将对从基础化学到复杂的药物研究、化学工程学等领域产生巨大影响。相关研究发表在《自然光子学》杂志上。

　　该科研团队由澳大利亚、美国、欧洲的科学家组成。科学家们表示，拍摄下电子的“一举一动”并非易事，因为电子的运行速度非常快，在1.51阿秒内就能环绕一个氢原子核旋转一周。为了捕捉到正在活动的电子，人们需要一种能在阿秒层面上发送脉冲的激光器。

　　此前已有科学家研制出并演示了阿秒激光脉冲，但那些脉冲非常微弱，无法真正测量电子的动态，真正有用的阿秒激光器需要兼具高速度和强脉冲密度。新激光系统满足了这两个需求，并且只需简单的环境设置就可完成任务。

　　为了获得超强的激光脉冲，人们需要将不同频率的光波精确地混合在一起，使它们能互相加强。知易行难，因为很难让两种不同的激光束精确地同步。为了克服这个问题，科学家们构建了一套环境装置，让单束激光通过一个射束分离器，产生两束不同频率的激光。因具有相同来源，这两束激光能够实现同步。

　　科学家们还采用了其他辅助手段，让激光脉冲达到了阿秒规模的测量所必需的激光脉冲密度和持续时间。借此，人们能以前所未有的方式观察单个电子的活动。

　　如何实现兆赫兹量级孤立阿秒脉冲

　　早先已经实现利用高次谐波(HHG)促使亚飞秒量级的相干极紫外(EUV)辐射的发生。这种可行性在十年前就以得到验证，并且，高次谐波(HHG)有着广泛的应用领域，包括原子分子物理、表面科学和成像。极紫外辐射发光是源自于强激光场与原子或分子的相互作用。强场使得库伦壁垒发生弯曲，能够使一个受约束的电子波包穿过壁垒，离开母离子。当激光电场发生反转时，波包获得反向加速度，向母离子运动，并与母离子重新结合，激射出一个极紫外光子。这个过程每一个激光周期内发生两次，因此能够获得飞秒脉冲辐射序列。对于激光脉冲持续时间仅为几个周期的情形，高能量光子辐射可以视作发生在一个时序内，从而可以产生独立的飞秒脉冲(IAP)。这项技术通常被称为“振幅门”，传统手段是利用钛宝石再生放大器输出脉冲后压缩获得。提出了另外一种可以选择的门技术，避免了对脉冲持续时间的严格要求。然而，这以上所有系统构型均依赖于激光器本身，受到了由于光热效应而受限的重复频率的限制。尽管早先也有高重复频率高次谐波以及其他强场过程的源提出和实现，孤立飞秒脉冲序列的重复频率仍然限制在几千赫兹内。这对系统的多数应用有着很严重的限制，尤其是在信噪比和光电子或离子化碎片统计方面。

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