国际激光器的发展势头
发布人:新特光电 时间:2017-05-08 关注:

美国UCF项目组的研究人员开发出世界上最短的激光脉冲,该项目在去年夏天获得美国国防部先进研究项目局690万美金拨款资助,目的是获得1000倍强度的激光脉冲。

新泽西学院物理系教授Zenghu Chang带领的团队成员包括,来自加拿大渥太华大学的Paul Corkum教授和加州大学柏克莱分校的Steve Leone 和Dan Neumark教授。他们的目的是为了使联邦政府能够更好地意识到了解电子运行情况的重要作用,最后制造出超快传感器和探测器。

Chang说制造67阿秒极紫外激光脉冲的经费来源于UCF。此发现将为科学家研究量子力学提供一种新的手段,通过相机拍摄,可以观察地球上最快的电子运转过程。

DARPA PULSE(超快激光科学与工程项目)期望通过这项发现来研究阿秒激光脉冲在极限速度下是否能用来构建电子设备。

Chang表示:“在过去的12年间超快激光器领域有许多新的发现。现在有机会去实现以前只是在理论上能够完成的研究。”

阿秒激光脉冲能够帮助科学家理解能量为什么能被用于传输数据或者制造更强大的导电材料。但是以前的阿秒光束对一些应用来说,功率太低。因此,实验室只能利用飞秒激光器和阿秒脉冲。新的阿秒激光光源能够用于激励和探测电子力学,这被认为是阿秒学科里面最大的难题。

该项目的第一阶段是建立一种新型飞秒激光器,能够产生足够高能量的脉冲,驱动阿秒脉冲发生器的运转。激光器将被放置在2400平方英尺的范围内,这将是UCF自然科学馆实验室的四倍。虽然如此,激光束仍需经过多重反射放大,才能达到DARPA的工程指标。

该设备将保证美国在阿秒激光领域与欧洲能够抗衡。

DARPA近来来对超快激光器领域关注度越来越大,美国国家研究委员会的报告指出,光电子学将是美国科技持续领先世界的重要保障。

欧洲在阿秒激光领域走在前列

2010年欧洲科学家成功用阿秒激光脉冲观测分子里的电子运动理解化学反应,科学家必须知道分子中电子的行为。但由于电子运动速度太快,一直以来,观测电子始终遭遇技术瓶颈。现在,一个由多国成员组成的欧洲研究小组在阿秒激光脉冲的帮助下攻克了这一难题。

20世纪80年代以来,科学家借助飞秒激光的帮助研究分子和原子(1飞秒=1015秒);然而,飞秒激光可以追踪到原子和分子的运动,却跟不上电子的运 动。而1阿秒是1018秒,在1阿秒内光只走不到百万分之一毫米,也只有阿秒级激光才能“赶上”分子内的电子。为产生这样短的激光脉冲,物理学家付出了巨 大的努力,直到2001年,研究人员才首次成功研发出脉冲长度为250阿秒的激光脉冲。现在,科学家终于成功用阿秒激光拍摄出了分子内“电子运动”的系列 照片。

物理学家们最先研究的是氢分子,这是两个质子和两个电子构成的最简单的分子结构。研究人员先用一个阿秒激光脉冲照射氢分子,使一个电子从分子中删除,分子 被电离;然后再用红外激光束将其剪为两部分,这样就可以观察到两个部分的电荷分配情况。因为缺少一个电子,剪切后一部分呈中性,另一部分带正电,剩余的电 子也就包含在了中性部分里,这就给研究人员有针对性地观测电子运动提供了可能。参与研究的马克斯-玻恩非线性光学和光谱短脉冲研究所(MBI)主任马克? 弗拉肯教授说:“我们的实验首次证明,通过阿秒激光我们的确有了能够观察分子中电子运动的能力。”

尽管欧洲团队的阿秒激光实验给科学家们带来了惊喜,但为了能更好地阐明他们的测量,马德里大学的一个理论研究小组又加入了该项目。他们花了150万小时的 电脑计算时间,带来了全新的发现。这些计算结果表明,该问题的复杂性远远大于以前的设想。研究人员表示:“我们还远没有解决问题,正如原先我们认为的,我 们只打开一扇门,整个项目实际上会更加重要和有趣。”

更短暂的激光脉冲意味着更广阔的科研领域。一个月前,德国一家研究所刚刚发布其12阿秒激光脉冲的佳绩。阿秒是个什么概念?这么说吧,100阿 秒相对于1秒,如同1分钟相对于整个宇宙寿命的140亿年!如此短暂的激光脉冲成为科学家得以窥视微观世界的火眼金睛,就好比高速摄影机让我们看到了足球 场上射门的慢镜头。理论上,激光脉冲甚至可以在仄秒级实现(1阿秒=1000仄秒)。届时,即使原子核内部的“家长里短”也将昭然天下。

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。

近些年来,在先进阿秒激光物理学中,光参量放大器被视作一个很有前景的技术手段。光参量放大器能够提供极大的增益带宽,支持多波长范围的几个周期脉冲放大,同时由于其优异的光热特性,有希望成为强场少周期脉冲的高重复频率源。

在本项研究工作中,我们搭建了一台极紫外兆赫兹连续源,并证实了孤立飞秒脉冲技术的可行性,实现了当前阿秒科学中的一些技术突破。一个由光纤激光器抽 运的两级光参量啁啾脉冲放大器(OPCPA)系统提供载波包络相位(CEP)稳定的14微焦脉冲,其中心波长为918nm,其中在2.1个周期的持续时间 内(6.6fs),在氩气中做高次谐波(HHG)的驱动源。使用200 nm铝制滤波器消除基波辐射,并利用平场光栅分光仪对脉冲进行时间和空间整形。载波相位包络和Q驱动激光脉冲啁啾由一对融石英光楔对控制。同时,可使用可调节的虹膜来减少反应区域的强度,从而将截止光子能量移至低于铝的L吸收限(73eV)的水平。

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