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光學工程
超快激光技術

超強超快激光場激勵的高次諧波現象的發現與不斷深入的研究,不僅為獲得真空紫外區(VUV)與極端紫外區(XUV)波段全相干光源提供了一種有效途徑,也為亞飛秒甚至阿秒級極端超快短波長相干輻射的產生提出了全新的思想與方法,從而有可能突破飛秒的壁壘,為人類創建極端超快的阿秒光子技術,并開創出阿秒光譜學、阿秒物理學乃至阿秒科學技術的全新學科與未來高技術領域。

超強超快激光場中高次諧波發射研究已取得重大突破,高次諧波已進入”水窗”波段。 當前,產生亞飛秒乃至阿秒數量級極端超快相干輻射的新概念、新方法的研究,正日趨活躍。在短波長X射線波段激光研究方面,現有的X射線激光機制無法實現波長小于2納米的突破,超強超快激光的出現為實現基于內殼層躍遷等新機制的超短波長相干輻射提供了可能性。目前超強超快激光驅動的內殼層光電離超短波長相干輻射新機制研究也已成為本領域的新熱點。

超強超快激光技術也為超快化學動力學、微結構材料科學、超快信息光子學與生命科學等前沿交叉學科的發展提供了創新手段與方法。例如,超強超快激光自身及其與物質相互作用產生的飛秒甚至可能是亞飛秒、阿秒數量級的XUV和 X射線波段的極端超快相干光源技術,為人類研究并應用各種超快過程提供了強有力的手段,將使人類在更深的層次上進一步認識微觀世界物質內部的能量轉移和信息傳遞過程,進而可能實現人工控制某些物理、化學和生物過程,促進微結構材料科學、超快化學動力學等交叉學科領域的研究與發展,產生具有重大影響的突破性交叉前沿研究成果。

近年,在飛秒激光應用于化學反應動力學方面的研究進展格外引人注目。澤韋爾(A.H.Zewail)由于在發展飛秒光譜技術,并研究化學反應過程中壽命極短的過渡態方面的成就,被授予1999年度諾貝爾化學獎。上述進展也為利用超快強激光控制化學反應帶來了新的希望。有選擇地斷裂或形成一些小分子化學鍵已經成功,但是對大分子復雜體系卻一直未能突破。超快強激光技術與近場光學顯微技術相結合,可以對激光與分子的相互作用進行多維控制,這是研究”單分子物理學”或”單分子化學”的有力手段,并有可能用以對生物大分子進行”剪裁”。

超快強激光在物質微結構的制備與超快動力學行為的研究方面,包括超高時空光譜分辨新探測手段的開拓與應用也取得了顯著進展。如光泵-超快X射線衍射探針測量技術應用于單晶的超快晶格動力學研究已經實現了皮秒-毫埃的超高時空分辨率;微爆炸和微聚合已使得人們有可能用超快強激光得到優于衍射極限、小于光波長的材料處理精度, 在三維高密度數據存儲中帶來了新的應用。最近的實驗也已證實,利用飛秒強激光按微米的間隔,斷續照射含稀土元素釤微粒子的玻璃,加上多重波長重疊記錄技術,記錄密度可提高到1014比特/厘米3等。

中科院上海光機所從1980年代中期起,在國家自然科學基金重大項目、中國科學院重大項目等支持下,在國內率先開展了強場激光條件下的激光與物質相互作用研究,包括在電離閾值以上原子的多光子電離,強場誘導原子的自電離和其他重要的強場量子現象,以及超強超快激光脈沖在等離子體中的傳輸、頻率上轉換、高次諧波輻射及等離子體電子加速器等方面的系統研究,受到國際同行的高度評價。

1990年代,中科院上海光機所、西安光機所、物理所在”八五”攀登計劃項目、”九五”攀登計劃預選項目和 “九五”中國科學院重大基礎研究項目等的支持下,不僅在超強超快激光技術的研究,而且在超強超快激光與物質的相互作用和在交叉學科的前沿基礎研究等方面也取得重要進展。例如成功建成了具有國際一流水平的小型化飛秒、5太瓦級超強超快激光實驗裝置;在超強超快激光驅動的高次諧波輻射,超強超快激光與原子、分子、團簇的相互作用動力學行為,超強超快激光與單電子的相互作用,超強超快激光與高溫高密度等離子體的相互作用以及多類超快過程等的研究方面也都取得重要成果,受到國際同行關注。

1999年7月在瑞士召開的國際超快光學會議上,國際著名的強場激光物理學家巴蒂(C. Barty)在開幕式上作了題為”全世界高強度激光的挑戰、前景與展望(High Intensity Lasers Around the World: Challenges, Prospects, Perspectives)”的大會主題報告,當他評述當前全世界正在運行的小型化臺式超強超快激光裝置時,特別列舉了中科院上海光機所的5.4太瓦、46飛秒級小型化超強超快激光裝置,當場展示該裝置的多張圖片。表明中國在國際超強超快激光領域已占有一席之地。

上海光機所強光光學開放實驗室近年來牽頭并與國內一流科研機構及高等院校進行了成功的合作研究,該實驗室在超強超快激光領域已逐漸成為我國基礎研究以及高技術與交叉學科領域中的應用基礎研究基地,國際交流與合作研究基地,以及培養與吸引青年科技人才的基地。1999年該實驗室牽頭并主持申請的國家”973″基礎科學前沿項目”超強超短激光科學中若干重要前沿問題”,經嚴格評審,成功立項,是當年”973″項目中”基礎科學前沿領域”的首批入選項目。

為開拓發展OPCPA新原理,上海光機所強光光學開放實驗室利用自行發展的小型化高功率釹玻璃強激光系統結合國內已有的非線性晶體的傳統優勢與基礎,已部署進行10太瓦級OPCPA新原理的實驗驗證,并探索建成基于OPCPA原理的小型化10太瓦(即”13號”)級和更高數量級超強超快激光裝置的全新科學技術途徑。目前在OPCPA新原理驗證的實驗與理論研究方面及系列關鍵技術的攻關上,取得了重要進展。這些工作不僅為基于OPCPA的小型化10太瓦級超強超快激光裝置的順利建成,而且也為開拓一條能突破原有臺式CPA技術無法跨越1021瓦/厘米2光場條件屏障的新途經,從而在短時間內直接促使我國超強超快激光走向世界的最前列奠定了扎實基礎。

最近,上海光機所強光光學開放實驗室成功建立了當前我國最為先進并達到國際一流水平的15太瓦、35飛秒級小型化超強超快激光裝置。該激光系統具有優良的光束質量,具備了提供1018~1019瓦/厘米2的超高激光功率密度的強場超快極端條件的能力,是進行相對論性強場與物質相互作用研究不可缺少的實驗工具。

中科院西安光機所首次實現了摻鉻氟化鍶鋰激光器的雙波長運轉,得到45飛秒的激光短脈沖;在同步泵浦多波長飛秒激光器研究中獲雙波長運轉參數的優良指標,其三波長飛秒激光運轉屬首創成果等。在超快X射線探測原理與技術方面,也獲得了多項具有國際先進水平的成果。如研制成功微通道板(MCP)選通50皮秒分辨能力的X射線分幅相機,以及0.88皮秒分辨能力的X射線條紋相機。

天津大學開展飛秒激光的研究工作近20年,積累了豐富的理論和實驗經驗。在飛秒固體激光研究中,首次觀察到自鎖模自調Q、飛秒脈沖分裂、脈沖碰撞、脈沖序列周期性調制,以及飛秒太瓦激光脈沖在液體傳輸中的平臺超連續光譜等多種新現象。

中科院物理所進行了外靜電場和磁場存在條件下高次諧波發射的半經典理論研究,超強超快激光與原子、分子相互作用的全量子非微擾理論研究,以及超強超快激光與固體相互作用中的高能粒子發射研究并取得重要進展。

復旦大學物理系在強激光場非線性康普頓效應與電子加速的研究中,獲得重要進展,尤其是發現了當激光強度超過某一閾值,電子與光束的相互作用將表現出全新的特性,電子有可能被激光束俘獲并被猛烈加速到吉電子伏以上。這一成果得到國內外同行的重視與好評。

在微結構材料科學的交叉前沿領域,中科院上海光機所在近年承擔的自然科學基金重點項目”高分辨三維成像技術的研究及其應用”中,已經成功地研制了縱向分辨至納米的掃描共焦顯微鏡,并已在光存儲材料的熒光壽命成像研究方面做出了較好的工作。北京大學物理系也在超快光譜技術及其應用研究中取得國際水平的研究成果,同時結合人工微結構和介觀物理國家重點實驗室的優勢,已經在微結構制備及其性能研究上獲得了有意義的結果。

在超快化學動力學研究方面,中科院化學所和大連化物所在利用飛秒激光技術進行超快化學過程的觀察與控制方面取得不少成果。在其他飛秒超快過程研究方面,中山大學等單位在稀土離子超快速光譜、半導體超快速光學性質、高速光電子技術等研究中也獲得了引起國際同行矚目的重要成果。

相對而言,超強超快激光科學是一門非常年輕的新學科,正處在出現重大突破的前夜。展望21世紀,中國科學家可望在這一現代物理學乃至現代科學活躍的前沿領域中,做出重要建樹。這既是挑戰,更是難得的機遇。

 


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