超短超強(qiáng)光脈沖的產(chǎn)生和應(yīng)用

王敏

摘要：本文簡(jiǎn)述了超短超強(qiáng)激光脈沖的產(chǎn)生、發(fā)展和應(yīng)用，并介紹了采用高次諧波合成超短阿秒脈沖的最新進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：激光 ? 阿秒脈沖 ? 產(chǎn)生 ? 應(yīng)用

從利用自然光（太陽(yáng)）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(xué)和泵浦技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家提出了制備激光器的方案，并于1960年由美國(guó)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(tái)激光器。在隨后短短的幾年內(nèi)，氣體激光器、液體激光器、固體激光器和半導(dǎo)體激光器等被相繼研制出來(lái)。

我國(guó)在激光器研制方面起步較早。1961年，中國(guó)第一臺(tái)激光器由中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所研制成功。各國(guó)科學(xué)家一直致力于獲得輸出功率大（超強(qiáng)）、脈沖寬度窄（超短）的激光。截至目前，美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、日本和中國(guó)的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室的激光峰值功率達(dá)到拍瓦（1015瓦）量級(jí)。如此強(qiáng)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(shí)現(xiàn)。

超短超強(qiáng)激光的產(chǎn)生與激光技術(shù)的進(jìn)步是分不開的。第一代激光技術(shù)包括調(diào)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(jí);第二代激光技術(shù)為啁啾脈沖放大（CPA），峰值功率和脈沖寬度分別達(dá)到TW（1012瓦）和亞皮秒量級(jí);第三代激光技術(shù)為光學(xué)參數(shù)啁啾脈沖放大（OPCPA），峰值功率和脈沖寬度分別達(dá)到PW（1015瓦）和幾個(gè)fs （1fs=10-15秒）量級(jí)。

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(gè)特性。基于這些特性，激光已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、信息、醫(yī)療和科研等領(lǐng)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(dá)、激光武器、激光掃描、激光手術(shù)等。激光技術(shù)的發(fā)展對(duì)一些新學(xué)科的誕生起到了推動(dòng)作用，如飛秒化學(xué)，美國(guó)加州理工學(xué)院的艾哈邁德·澤維爾科研團(tuán)隊(duì)采用飛秒激光研究化學(xué)反應(yīng)中的超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程，能實(shí)時(shí)觀察化學(xué)鍵的斷裂、成鍵等超快過(guò)程;激光冷卻技術(shù)為實(shí)現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，激光冷卻技術(shù)和捕獲原子方法獲得了1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，而玻色-愛因斯坦凝聚獲得了2001年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。強(qiáng)激光還被用于可控核聚變，助力于解決未來(lái)的能源問(wèn)題。2016年12月1日，由歐盟、美國(guó)、中國(guó)、日本、韓國(guó)、印度和俄羅斯共同參與的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）計(jì)劃正式開始實(shí)施。

對(duì)于探測(cè)原子分子中電子的超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程，飛秒脈沖則顯得無(wú)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(xué)家產(chǎn)生阿秒脈沖的主要途徑。高次諧波的產(chǎn)生機(jī)制可用三步模型來(lái)解釋：電子首先從原子分子中電離出來(lái)，然后在激光場(chǎng)中演化，最后被拉回到母核附近發(fā)生復(fù)合，同時(shí)放出一個(gè)諧波光子。在近十幾年內(nèi)，阿秒脈沖的產(chǎn)生取得了一些突破。德國(guó)馬克思普朗克研究所的F·克勞茲小組采用幾個(gè)飛秒的短激光脈沖驅(qū)動(dòng)惰性氣體，先后產(chǎn)生了脈寬分別為650as、250as和80as的阿秒脈沖;意大利科學(xué)家G·桑松團(tuán)隊(duì)采用偏振門技術(shù)獲得了脈寬為130as的阿秒脈沖;美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)的Z·Chang科研小組采用光學(xué)門技術(shù)分別產(chǎn)生了脈寬為67as和53as的超短阿秒脈沖;最近，瑞士科學(xué)家采用中紅外激光驅(qū)動(dòng)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(shí)時(shí)觀測(cè)原子中電子的超快運(yùn)動(dòng)，如電子隧穿、內(nèi)殼層電子的動(dòng)力學(xué)等。如果人們?cè)噲D實(shí)時(shí)觀測(cè)原子中核子的超快運(yùn)動(dòng)，需要采用仄秒（1zs=10-21秒）量級(jí)的超短阿秒脈沖。筆者相信在不久的將來(lái)，世界將進(jìn)入仄秒物理的時(shí)代。

激光物理已被廣泛應(yīng)用到生活的方方面面，為提高人們的生活質(zhì)量做出了顯著貢獻(xiàn)，為科學(xué)家探索物質(zhì)在極端環(huán)境下的性質(zhì)提供了有力的工具，使得人們有能力研究阿秒量級(jí)上的超快過(guò)程。鑒于激光物理在物理學(xué)領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)，2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了美國(guó)物理學(xué)家阿瑟·阿什金、加拿大物理學(xué)家唐娜·斯特里克蘭和法國(guó)物理學(xué)家熱拉爾·穆魯。阿瑟·阿什金;因“用于光學(xué)鑷子及其在生物系統(tǒng)中的應(yīng)用”而獲獎(jiǎng)，唐娜·斯特里克蘭和熱拉爾·穆魯因“生成高強(qiáng)度、超短光脈沖的方法”而獲獎(jiǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]左強(qiáng)，宋丹丹，楊志紅等.雙色場(chǎng)中驅(qū)動(dòng)脈沖相位對(duì)產(chǎn)生高次諧波和超短阿秒脈沖的影響[J].通訊世界，2017，（23）.

[2]徐小虎，夏昌龍，郭志偉等.啁啾場(chǎng)調(diào)控的高次諧波空間分布及孤立阿秒脈沖產(chǎn)生[J].中國(guó)激光，2018，（6）.

（作者單位：甘肅省蘭州市第五中學(xué)）