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研发超强超短激光 推动光学研究创新——郑颖辉博士研究成果

2014-10-24

中国科学院上海光学精密机械研究所郑颖辉博士长期从事超强超短激光与物质相互作用的研究,她负责完成的“阿秒脉冲的啁啾控制”成果于2013年获第八届“饶毓泰基础光学奖”二等奖,她本人2011年首批入选中国科学院青年创新促进会,当选2012年度上海市青年科技启明星(A类)。

1.阿秒光脉冲固有啁啾的动态控制与脉冲压缩

郑颖辉博士提出并实验证实利用双色激光场控制的色散特性实现对阿秒脉冲固有啁啾动态补偿和脉冲压缩的新途径,并首次实现了对负啁啾的补偿 [Physical Review Letters 103, 043904 (2009)]。高次谐波与阿秒脉冲产生领域最重要的科学目标之一就是要获得尽可能短的阿秒光脉冲。但是变换极限阿秒脉冲的获得受到高次谐波辐射固有啁啾的根本限制,因而对阿秒脉冲进行位相控制和啁啾补偿从而产生变换极限阿秒脉冲就显得至关重要。迄今已报道的控制阿秒脉冲啁啾的方法主要有两种,分别采用X射线波段啁啾反射镜和具有负群速色散(GDD)的透射介质,如金属薄膜和气体介质。上述现有方法均基于材料的静态色散特性,由于在XUV波段绝大多数材料具备的都是负色散特性,因此至今实验上实现的仅仅是对正啁啾的补偿,而对阿秒脉冲进行负啁啾的补偿是极其困难的。为了动态补偿阿秒脉冲的固有啁啾,课题组在高次谐波的驱动基频光上叠加一个弱的倍频场,通过调节双色场之间的相对延迟,可使啁啾的补偿实现从负到正的连续变化。采用这种新方法,首次在实验上实现了对阿秒脉冲负啁啾的补偿,并获得了近变换极限的阿秒脉冲。这种新方法的提出并在实验上成功实现,显然对变换极限阿秒脉冲的产生、超快电子动力学的研究和XUV波段频率梳的实现都具有极其重要的意义。文章发表至今已被他引30次,其中SCI他引24次。

2.利用相对位相可控的双色激光场得到同时加宽和增强的高次谐波超连续谱发射

对于小于100阿秒的超短脉冲的产生问题,之前国际上主要采用周期量级脉冲加偏振门技术,但是由于受到脉冲宽度和能量的限制,该方案要继续推进到百阿秒以下是相当困难的。课题组提出利用双色场、阿秒电离门技术等,可以在较低的实验要求下很容易地获得很宽的连续谱,产生百阿秒以下的阿秒脉冲。课题组实验证实利用相对位相可控的双色激光场可得到同时加宽和增强的高次谐波超连续谱发射,提出了脉冲宽度和强度可调的阿秒脉冲产生新原理 [Optics Letters 33, 234 (2008)]。论文发表至今被引用37次,其中SCI他引24次,被著名的美国劳伦斯伯克利国家实验室科学家、美国科学院院士、美国艺术与科学院院士R. Leone小组发表的论文 [Chemical Physics 366, 92009],日本阿秒科学领域的权威、日本理化所的K. Midorikawa小组发表的论文[Physical Review Letters 104, 233901 (2010); Physical Review A 82, 053413 (2010)],日本东京大学的国际知名同行科学家S. Watanabe教授小组发表的论文[Optics Express 16, 20876 (2008)],著名的瑞士同行科学家J-P Wolf教授小组发表的论文[Physical Review A78, 043804 (2008)]以及美国Texas A&M University的国际知名同行科学家A. V. Sokolov教授小组发表的论文[ Optics Letters 33, 16202008]等重点引用与承认。

论文《阿秒光脉冲固有啁啾的动态控制与脉冲压缩》和《利用相对位相可控的双色激光场得到同时加宽和增强的高次谐波超连续谱发射》分别提出了采用相对位相精确控制的双色激光场对阿秒脉冲产生的强度、光谱宽度和脉冲宽度进行量子相干操控。基于这两篇论文的成果,郑颖辉博士应邀在重要国际学术会议上做了6次特邀报告,2012年还应邀为英国物理学会出版社的著名期刊Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics纪念阿秒脉冲诞生十周年的专辑撰写综述论文,题为Attosecond pulse generation driven by a synthesized laser field with two pulses of controlled related phase。除此以外,得益于这两篇发表在国际重要学术刊物上的成果,课题组在2012年,与中科院上海微系统与信息技术研究所合作申请国家重大科研仪器设备研制专项“基于上海同步辐射光源的能源环境新材料原位电子结构综合研究平台(SiPME2)研制”,郑颖辉博士在项目中负责“亚飞秒超短脉冲”的研制,在能量和动量分辨的基础上,利用亚飞秒脉冲的超短时间尺度进一步研究电子的时域行为和非平衡状态下的电子结构。

3.基于宏观位相匹配效应产生平台区单个阿秒脉冲

该研究提出并成功实验演示了采用7fs/800nm基于宏观位相匹配效应的强场高次谐波产生中电子路径选择的新方案,获得平台区单个阿秒脉冲的产生,为实现实用化的100阿秒级极端超快相干光源奠定了重要技术基础[Applied Physics Letters 95, 141102 (2009)]。随后,郑颖辉博士作为合作作者又在理论上提出基于宏观位相匹配效应,利用5fs/800nm驱动激光脉冲,通过优化气压和气体盒子长度可以获得平台区的超连续谱。值得一提的是,该方法降低了对驱动脉冲载波包络位相的依赖,当载波包络位相存在50%的抖动时,单个亚100as的阿秒脉冲变化为10as。在没有任何位相补偿的情况下,该方法可以直接获得60as的单个阿秒脉冲[Optics Letters 35, 2618 (2010)]。到目前为止,课题组已经向哈尔滨工业大学、华东师范大学、华中科技大学和长春理工大学等兄弟院校出售了4套这篇论文所用的阿秒脉冲产生装置,均已交付使用,保障了相应科学研究工作的开展。