阿秒激光器

Liaoning Normal University

题 目：阿秒激光器学 院：专 业：学生姓名： 指导教师：

物理与电子技术学院 物理学（师范类） 陈思音(20111125020078) 张晓蕾(20111125020016) 何芳君(20111125020060) 李成仁

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2012年11月

阿秒激光器

[摘要]

超短脉冲激光正在进行着从飞秒(1fs=1015s)向阿秒(1as=1018s)的跨越，这一跨越对激光原理和激光应用来说都有很重要的意义。文章主要介绍了阿秒脉冲的原理、测量方法以及阿秒激光器的应用和对科学发展的意义。

[Abstract]

Ultrashort pulse laser is crossing from femtosecond(1fs=10-15s)to attosecond(1as=10

-18s),the leap have significantly influence on

Principle and Application of Laser.The article mainly introduces that the principle of attosecond pulses,the measuring method and the application of attosecond laser and its influence on the scientific development.

[关键词]

超短脉冲、阿秒脉冲、高次谐波、应用、飞秒技术、振荡周期

一、引言

正如激光的发明引起了光学领域的一场巨大的一样，超短脉

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冲激光的产生使人类探索许多未知领域及发现新的物理规律的梦想成为现实自然界中存在着许多以前受测量手段的时间分辨率而无法认识的超快现象，如分子尺度上的运动，单分子的振动及转动，液体或品格的振动及转动，化学键的断裂和形成都发生在飞秒(1fs=1015s)到皮秒(1ps=1012s)的范围锁模技术使激光脉宽一下子缩短到了飞秒的数量级，终于为研究这些超快现象提供了时间分辨的可能。1999年，20世纪末的诺贝尔化学奖授予了美国埃及裔科学家Ahmed Zewail[1]，表彰他在超快光谱和飞秒化学方面的开拓性工作．但人类探索自然无穷奥秘的热情驱动着科学家要找到比飞秒更短的闪光脉冲来帮助自己看到更快的反应过程。正如每位摄影师都知道的那样，一个“闪光”可以冻结一个动作，如果动作发生的时间越短，则需要冻结它的“ 闪光”就相应地要求越短，否则图像就会出现虚影。然而，要突破现今3 .7fs这样一个对800nm波长的激光来说不到两个光学周期的脉宽界限，无论在理论上还是实验上都面临巨大的挑战。因此，阿秒科学将是未来几年里超快光子学中最热门的研究课题[2]。

二、产生阿秒脉冲的原理方法

回顾一下从皮秒到飞秒技术的发展过程，我们可以看到有这么几

个条件是必要的：一是新型增益介质的出现。 增益介质作为产生激光的三个必要条件之一，对于飞秒脉冲的产生来说还必须要求具有宽的增益带宽。根据傅里叶变换，增益带宽与持续时间成反比，只有足够的增益带宽才能保证飞秒输出目前通用的增益介质。二是采用新的激

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光技术。飞秒脉冲产生利用的是新的锁模技术，其中克尔透镜锁模技术因为机制简单及操作方便已成为目前最常采用的飞秒激光脉冲产生技术。 三是谐振腔镜的镀膜工艺及腔内色散补偿技术的发展。只有在宽带膜及有效的高阶色散补偿的保证下，才能得到10fs 以下的超短脉冲。但是当飞秒脉冲要向更短的阿秒迈进时，这种产生飞秒的方法却不再适用。原因很简单，主要是受到光振荡周期的。众所周知，可见光的振荡周期大约是2fs，由于脉冲持续时间不可能短于一个光振荡周期，所以在可见光波段不可能产生短于飞秒的光脉冲，要想实现阿秒脉冲必须在高频区（如极紫外或软X射线区）想办法。但是在高频区要想利用传统的光学谐振腔来产生紫外阿秒脉冲有如下困难：一是没有紫外区激光介质，二是缺乏在紫外区镀宽带膜的成熟技术。既然激光介质和谐振腔这两个激光产生必备的条件都不具备，人们只能另外想办法来产生更短的阿秒脉冲。目前人们在产生阿秒脉冲的原理方法上作了大量的前沿探索工作，其中最有前途的方案是超短脉冲的谐波合成技术。具体的可行技术有两种：一种是利用超强超短脉冲与惰性气体的非线性效应产生高次谐波，或者受激拉曼散射从而得到阿秒脉冲的方法；另一种是相位锁定光学参量或同步飞秒激光产生的可见光亚谐波合成技术。最近，前一种方法，即高次谐波产生阿秒脉冲技术有了突破性的进展。一个由奥地利维也纳技术大学、加拿大国家研究中心和德国比利斐尔德大学的研究人员组成的国际课题组，报道了他们产生的单个脉冲为650as 的X射线脉。他们采用氖气作为非线性介质靶，用一束超高强度超短激光脉冲聚焦在靶上，从而获得了类似激

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光的X射线脉冲，并且利用新的测量技术第一次测出了此X射线脉冲的脉宽是650as。

对于这种方法的物理机制，1993年Paul Corkum给出了一个简单的模型，这个模型可以很好地解释实验中高次谐波产生的一些物理性质。图1就是这个模型的简单图示解释。Paul认为，当超强超短激光脉冲与气体原子靶相互作用时，超强超短脉冲作为驱动光场，极大地改变了原子中电子的电离势曲线，结果使束缚电子可以穿透这个势垒发生隧道电离，被电离出的自由电子在随后的光场中加速或减速，并与它脱离的离子或周围的离子碰撞。复合时发射出能量等于电离电位Wb与激光光波场中得到的动能之和的光子[3]。图1中发射出的光子频率表示为Wxuv，处于极紫外或软X射线区。由于这种基本过程与激光频率准周期性的叠加，从而产生了谐波。而电子是在光强最大（波峰或波谷）处被精确电离，同时辐射高次谐波，所以辐射是在极短的时间内产生，理论计算这个时间大约是100as。但是在一个光周期内有两次辐射，这样产生的光脉冲是一个阿秒串，即每半个光周期有一个阿秒脉冲，这种间隔如此紧密的脉冲串在绝大多数实验中都是无法使用的。可贵的是奥地利这个国际课题组同时也解决了这个难题，他们利用几个周期的强飞秒激光作为驱动激光，再使用一个高通滤波器，从数目较少的阿秒脉冲串中分离出了单个脉冲，从而为阿秒脉冲的实用化奠定了基础，图2为采用重元素Zr作为滤波器选取单个阿秒脉冲的实验原理图。

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三、阿秒脉冲中的测量

理论家已经预言，本质上高次谐波可以实现相当好的同步以产生阿

秒脉冲序列，其中每个脉冲约为100阿秒．如果是这样的话，许多实验室可能已经产中了这样的脉冲，但在还没有人想出测量这么快的光学

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事件的方法之前．我们又如何知道它是否发生了呢?

一个寻找灵感的途径就是借鉴目前用于飞秒脉冲测量的方法——自相关法[4]．自相关本质上就是用脉冲自己测量自己．具体地说，就是先将一个脉冲成完全相同的两个．然后在可调范围内造成两个相同脉冲在迈克耳孙干涉仪两臂上的延迟，再使它们都通过非线性光学材料．当两臂完全等长时，两个脉冲会同时到达非线性材料，这时的信号最强。随着光路不对称性的变化，两个波一先一后地到达非线性材料，引起非线性响应信号发生相应改变观察非线性响应的变化，使我们能测出两脉冲重叠程度随光程差△x变化的情况，脉冲的宽度就简单地正比于△x/c。

然而没有人知道如何将一束高次谐波分成完全相同的两束。而且目前我们已知的非线性介质来说，脉冲的强度还不足以产生非线性响应。最近．希腊FORTIH实验室的物理学家们已经提出并演示了一种方法来解决这些问题。首先他们在产生高次谐波之前就将激发脉冲分成完全相同的两束，有效地解决了产生两个完全相同的脉冲的问题。他们解决第一个问题的方法是使用离化的气体产生高次谐波。因为离化气体更容易产生高次谐波，而同时离化气体还充当了非线性介质．以测量脉冲序列中的脉冲宽度。

上述对阿秒脉冲结果的解释依赖于更细致的理沦分析，如果分析是正确的话，FORTH就解决了阻碍阿秒科学发展的主要问题，通过这一工作，实验上的阿秒科学就可以登台亮相了，人们也真正进入了阿秒科学时代。

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四、阿秒脉冲的应用

我们知道，飞秒脉冲近年来已获得了广泛的应用，如抽运探测超快光谱学、荧光上转换飞秒光谱学、量子系统相干控制等。A.Zewail正是由于应用这些相关的技术来测量飞秒尺度下的化学键断裂等飞秒化学上的工作而获诺贝尔化学奖。

此外，还有许多飞秒激光脉冲的各种应用。例如，使用能量高度集中的飞秒激光脉冲进行微加工。这一技术可用于复杂的脑外科及眼科手术中。德国JENA大学的Konig采用高强度钛蓝宝石单束激光，发明了目前世界上最精细的激光手术刀，这种“激光刀”的刻痕宽度仅0.11m，并已成功地进行了人体第一号染色体的细胞分离手术及动物癌细胞的切除实验。

在频率测量上，飞秒激光同样有着重要的应用，由振荡器产生的一个短于10fs的光脉冲的光谱包含了百万以上的模式，这些模式有固定频率间隔，相当于用飞秒激光脉冲作为光学频率的尺子，可以在激光光谱的范围内精确地确定任何频率。这样的频率尺子能够在光学频段上建立更精确的原子钟。

作为比飞秒激光更短的脉冲，阿秒脉冲将在上述领域中得到同样甚至更重要的应用。如能够观测电子围绕原子的运动，原子的电离和离子键的形成[5]。阿秒激光器还可为单个电子活动“摄像”，科学家们已经成功用阿秒激光观测了电子，使记录电子运动终于成为现实。理论上，我们还可以尝试让激光脉冲频率提高一千倍，如此就可以看清

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原子核内部的运动。同时阿秒脉冲将由于其超短的脉宽和超宽 的频谱而被应用于许多新的领域并开拓出新的应用。

五、结论

对超短脉冲激光的研究正在进行着从飞秒向阿秒的跨越，作为比

飞秒激光更短的脉冲，阿秒脉冲将在很多科学领域做出更重要的应用。继而人们在产生阿秒脉冲的原理方法上作了大量的前沿探索，这位研究超快现象提供了时间分辨的可能。最有前途的方案是超短脉冲的谐波合成技术最近，高次谐波产生阿秒脉冲技术更是有了突破性的进展。希腊FORTIH实验室已有效地解决了产生两个完全相同的脉冲的问题。他们解决第一个问题的方法是使用离化的气体产生高次谐波。因为离化气体更容易产生高次谐波，而同时离化气体还充当了非线性介质．以测量脉冲序列中的脉冲宽度。为阿秒脉冲的探究做出了突出的贡献。 阿秒脉冲将由于其超短的脉宽和超宽的频谱而被应用于许多新的领域并开拓出新的应用。

参考文献

[1] Zewail A H.Science,1988,242;15

[2] Steinmeyer G.Sutter D H.Gallmann L et nl.Photonics Spectra 2000,(2):100

[3] 阿秒激光脉冲的新进展（韩海年 魏志义 苍宇 张杰中国科学院物理研究 中国科学院所光物理实验室 北京

10080） 物理 2003,32（11）

[4] 王向欣 王成 李邵辉 刘建胜 徐至展 脉冲啁啾对于阿秒脉冲的影响[期刊论文]-光子学报2005,34(5)

[5] 超快激光的新前沿—阿秒科学（苍宇 魏志义 张杰 中国科学院物理研究所光物理实验室 北京 10080）

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