超短超强光脉冲的产生和应用

王敏

摘要：本文简述了超短超强激光脉冲的产生、发展和应用，并介绍了采用高次谐波合成超短阿秒脉冲的最新进展。

关键词：激光   阿秒脉冲   产生   应用

从利用自然光（太阳）到人造光源（电灯）的诞生，人类在制备和使用光源的道路上迈出了艰难的第一步。随着量子力学和泵浦技术的发展，科学家提出了制备激光器的方案，并于1960年由美国加利福尼亚修斯航空公司的研究员梅曼发明了世界上第一台激光器。在随后短短的几年内，气体激光器、液体激光器、固体激光器和半导体激光器等被相继研制出来。

我国在激光器研制方面起步较早。1961年，中国第一台激光器由中国科学院长春光学精密机械研究所研制成功。各国科学家一直致力于获得输出功率大（超强）、脉冲宽度窄（超短）的激光。截至目前，美国、英国、法国、日本和中国的几个实验室的激光峰值功率达到拍瓦（1015瓦）量级。如此强的激光已被用于受控核聚变，脉宽短到2.84fs （1fs=10-15秒）的超短激光已被实现。

超短超强激光的产生与激光技术的进步是分不开的。第一代激光技术包括调Q和锁模，获得了峰值功率为GW（109瓦）和脉宽为ps（1ps=10-12秒）量级;第二代激光技术为啁啾脉冲放大（CPA），峰值功率和脉冲宽度分别达到TW（1012瓦）和亚皮秒量级;第三代激光技术为光学参数啁啾脉冲放大（OPCPA），峰值功率和脉冲宽度分别达到PW（1015瓦）和几个fs （1fs=10-15秒）量级。

激光与普通光源相比，具有方向性好、单色性好、相干性好和高亮度四个特性。基于这些特性，激光已被广泛应用于工业、农业、军事、信息、医疗和科研等领域。譬如激光切割、激光打孔、激光焊接、激光热处理、激光育种、激光雷达、激光武器、激光扫描、激光手术等。激光技术的发展对一些新学科的诞生起到了推动作用，如飞秒化学，美国加州理工学院的艾哈迈德·泽维尔科研团队采用飞秒激光研究化学反应中的超快动力学过程，能实时观察化学键的断裂、成键等超快过程;激光冷却技术为实现玻色-爱因斯坦凝聚提供了強有力的技术支持，激光冷却技术和捕获原子方法获得了1997年诺贝尔物理学奖，而玻色-爱因斯坦凝聚获得了2001年诺贝尔物理学奖。强激光还被用于可控核聚变，助力于解决未来的能源问题。2016年12月1日，由欧盟、美国、中国、日本、韩国、印度和俄罗斯共同参与的国际热核聚变实验反应堆（ITER）计划正式开始实施。

对于探测原子分子中电子的超快动力学过程，飞秒脉冲则显得无能为力，需要利用脉宽更短的阿秒脉冲（1as=10-18秒），高次谐波已成为科学家产生阿秒脉冲的主要途径。高次谐波的产生机制可用三步模型来解释：电子首先从原子分子中电离出来，然后在激光场中演化，最后被拉回到母核附近发生复合，同时放出一个谐波光子。在近十几年内，阿秒脉冲的产生取得了一些突破。德国马克思普朗克研究所的F·克劳兹小组采用几个飞秒的短激光脉冲驱动惰性气体，先后产生了脉宽分别为650as、250as和80as的阿秒脉冲;意大利科学家G·桑松团队采用偏振门技术获得了脉宽为130as的阿秒脉冲;美国中佛罗里达大学的Z·Chang科研小组采用光学门技术分别产生了脉宽为67as和53as的超短阿秒脉冲;最近，瑞士科学家采用中红外激光驱动原子获得了目前最短的阿秒脉冲（脉宽为43as）。阿秒脉冲已被用于实时观测原子中电子的超快运动，如电子隧穿、内壳层电子的动力学等。如果人们试图实时观测原子中核子的超快运动，需要采用仄秒（1zs=10-21秒）量级的超短阿秒脉冲。笔者相信在不久的将来，世界将进入仄秒物理的时代。

激光物理已被广泛应用到生活的方方面面，为提高人们的生活质量做出了显著贡献，为科学家探索物质在极端环境下的性质提供了有力的工具，使得人们有能力研究阿秒量级上的超快过程。鉴于激光物理在物理学领域的杰出贡献，2018年诺贝尔物理学奖授予了美国物理学家阿瑟·阿什金、加拿大物理学家唐娜·斯特里克兰和法国物理学家热拉尔·穆鲁。阿瑟·阿什金;因“用于光学镊子及其在生物系统中的应用”而获奖，唐娜·斯特里克兰和热拉尔·穆鲁因“生成高强度、超短光脉冲的方法”而获奖。

参考文献：

[1]左强，宋丹丹，杨志红等.双色场中驱动脉冲相位对产生高次谐波和超短阿秒脉冲的影响[J].通讯世界，2017，（23）.

[2]徐小虎，夏昌龙，郭志伟等.啁啾场调控的高次谐波空间分布及孤立阿秒脉冲产生[J].中国激光，2018，（6）.

（作者单位：甘肃省兰州市第五中学）