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原秒脉冲为原子物理学开辟新天地

时间：2011-12-31 22:44:22  来源： 打印本文

原秒脉冲为原子物理学开辟新天地

2005/11/14/11:10来源：中国激光网专家委员会作者：单振国 译

光子学前沿-原秒物理学

摘要：激光脉冲的宽度被限制在飞秒（10-15秒）量级，但是飞秒脉冲可在极端紫外波段产生原秒（10-18秒）脉冲,从而为物理学提供了一个新的时间尺度。  

    严格说说，单纯的光学脉冲是不可能被压缩到小于飞秒宽度的。为了产生亚飞秒脉冲，需要有比可见光谱还要宽的带宽。但是，飞秒光学脉冲可用来产生高次谐波脉冲，脉冲的持续时间仅为原秒量级，在真空紫外和软-X射线波段，跨越的频谱很宽。  

    这些原秒(as)脉冲正在为探测新的物理过程打开大门。飞秒光学脉冲有可能被用来检查分子化学过程，方法是将时间分割得很小，以致能这个过程冻结。类似地，原秒物理学为研究原子中电子跃迁过程提供一个新方法，如今，它已成为最热门的光学研究领域之一。  

非线性高次谐波产生 

    对光脉冲宽度的基本限制是由测不准关系所设定的,光子能量和光脉冲宽度的不确定性积，必须大于某极小值。对横跨可见波段的光脉冲来说，所能得到的最短脉冲宽度约为几飞秒。1987年，用具有环形染料激光器和内腔色散补偿棱镜进行的试验，使该限制在向短脉冲方向前进了一步，达到了6fs的脉冲。后来，研究人员又把目光转向Ti:蓝宝石激光器，因为对它们的操作要简单得多，但是，在进行了各种改进之后，光脉冲的宽度仅减少了一点点，达5fs左右。在中心波长为800nm的Ti:蓝宝石波段，光波的一个周期约为2.7fs，因此，要想将这些光脉冲进一步压缩，希望是不大的。但是，利用非线性效应，具有高峰值功率的飞秒脉冲可以产生更短的光脉冲。  

图1.由高功率飞秒脉冲激励的电子在每个飞秒光波的峰和谷处，

    图1.由高功率飞秒脉冲激励的电子在每个飞秒光波的峰和谷处，辐射原秒脉冲。每个原秒脉冲由一系列高阶奇数谐波组成，最后形成了原秒波形。

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    这个重要的手段叫做高次谐波产生。 将强激光脉冲聚焦进一束喷出的稀有气体里面，就会产生高次谐波，其频率为基波激光脉冲频率的奇数倍(见图1)。最低阶的谐波最强，但是较高次的谐波强度类似，但频率范围较宽，直到截止频率为止。将最低阶的谐波滤掉，可产生的很宽的频梳，与锁摸激光器的光谱模式类似，但可延伸到极端紫外波段。这些很宽频率范围内的光波相干叠加，可产生极窄的脉冲。

    原则上,由5000THz的频梳可形成100as的脉冲，能量约为40电子伏特。在物理上，该过程与强飞秒脉冲电场的快速起伏有关。 当光遇到原子时,极强的光场能够战胜原子核对价电子的引力, 使电子向原子外面逃逸。但是，光场的方向迅速改变，又将这个正在逃逸的电子拉向原子核，这个重新被捕获的电子，以辐射光脉冲的形式释放附加的能量，光脉冲的宽度约为几百原秒。 

    这个激光脉冲场的强度是如此之大，以致能使受影响的电子能在原子里面遵循确定的轨道飞行,从而可用经典物理学手段描述。实际上，该脉冲激光场只是将电子概率场的一部分拉到原子的外面, 在释放能量的时候，被拉出的那部分电子概率场与剩余的电子概率场碰撞，这种碰撞就像一个有黏性的水滴那样。Rochester大学、光学研究所(Rochester, NY)的理论物理学家Joseph Eberly解释说：因为电子是与它自身碰撞的,因此由碰撞所产生的辐射是相干的。他说：电子辐射能量就像经典物理中偶极子振荡一样,它所辐射的是能够分得很清楚的谐波峰，而不是宽带。 

微妙的技术 

    实验工作者已经发展了一些高尖精技术，使原秒脉冲更加有效。通常，受激电子，每半个泵浦光周期发射一个光脉冲,因此，单个飞秒光脉冲能产生一系列原秒脉冲。  

图2. 余弦脉冲在振幅最高点有一个波峰。在正弦脉冲中,

    图2. 余弦脉冲在振幅最高点有一个波峰。在正弦脉冲中,最高的振幅在光波周期的最低点。每个飞秒脉冲只有几个周期长。

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    单个原秒脉冲更加有用, 2001年，那时在维也纳技术大学的Ferenc Krausz在获取单个原秒脉冲方面向前迈出了关键的一步：他首次产生的了单个原秒X射线脉冲，脉宽估计约为650as (参见：Laser Focus World, February 2002, p. 17)。第二年, 他的小组将单个原秒脉冲用于时间分辨的光谱研究，但是，这些脉冲不能很好地按要求控制。2003年, Krausz和Max-Planck-Institute for Quantum Optics（Garching, Germany）的Theodor Hänsch发展了一种方法，可以得到孤立的可重复的原秒脉冲。 这要求对脉冲振幅包络的电场相位进行严格的控制，这样，场的峰值振幅便可精确地在脉冲振幅达到最高值时发生,这叫做余弦脉冲(看图2)。从那以后，Krausz又采用原秒极紫外脉冲来孤立原子的技术，来改善相位和振幅的对准问题,然后，通过研究光如何改变自由电子的运动，来测量可见光飞秒脉冲的场强。  

    测量原秒脉冲本身是很困难的。 用于飞秒脉冲的高精密技术与非线性光学有关。 原秒脉冲不仅较快, 而且在极紫外波段，飞秒测量所使用的许多非线性材料对光的吸收都很强。 到目前为止, 大多数研究小组在演示原秒脉冲时，不得不为了验证他们的实验结果，而发展他们特有的技术。  
尽管如此，该技术仍在不断扩展，一些新的小组正在开展他们自己的实验,主要是在基本原理和测量方面。  

原秒的诱惑 

    原秒脉冲的诱惑是：它们在时间领域开辟了一个新的前沿。在上世纪80年代，飞秒脉冲做了同样的事情,它们捕获到了前所未有的最快事件,显示了从未看到的过程。加州理工学院的Ahmed Zewail通过记录分子间的化学反应过程，创立了飞秒化学,揭示了一个前所未知的世界，并于1999年获得了诺贝尔化学奖。 原秒脉冲能显示原子过程中的电子运动，Zewail因飞秒化学获得诺贝尔化学奖这一先例，正在激励研究人员探索自然的好奇心。

    在过去几年里，实验物理学家已使该领域得到了飞速发展。第一个报告用高次谐波产生的方法可得到亚飞秒X-射线脉冲串的，是1999年由希腊Crete大学Dimitris Charalambidis所领导的一个小组。其他的科研人员很快跟上,改进了这一技术，产生了越来越短的光脉冲，但重复脉冲串的应用是很有限的,特别是在功率很低时，更是如此。开发单一的、可重复脉冲的技术，对原秒物理学来说非常重要的，它就像打开了一个水闸，用原秒脉冲可以进行许多非常重要的实验。例如,现在在Max-Planck-Institute for Quantum Optics的Krausz已经在用原秒脉冲来观察：在失去内层电子后氪原子的电子重新排列情况。

图3.时间域的双缝实验（代替空间双缝实验）是以来自一个正弦脉冲的两个原秒辐射峰为基础的

    图3.时间域的双缝实验（代替空间双缝实验）是以来自一个正弦脉冲的两个原秒辐射峰为基础的（参见图2），它在光波的一个周期内产生时间上可以分开的2个原秒脉冲。这两个脉冲之间的干涉，在时间上产生了一系列的脉冲（左图），与用经典双缝实验在空间所产生的类似的系列脉冲(右边)类似。每个图的上半部显示的是单缝情况，左面是时间域的单脉冲，右图的空间域的单缝。

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    也许，至今最神奇的实验是由维也纳技术大学Gerhard Paulus所进行的经典双缝实验的翻版。Gerhard Paulus还是德克萨斯A&M大学和德国慕尼黑Ludwig-Maximilians大学的双聘教师。他用来自Ti:蓝宝石激光器的5 ns脉冲，在时间域创造了双缝（两个脉冲），以代替让电子通过空间域的双缝。该脉冲在时间上严格控制的，目的是控制振幅包络内的电场相位。在某些情况下，这些脉冲有一对正极大，位于中央极小的两侧；在另外一些情况下，会在中央出现单个极大值，在两侧出现负的极小值。主峰和第二个峰都有足够的能量，能把处于气体状态的氪原子中的某些电子逐出，但被逐电子的方向是各种各样的。Paulus将探测器放在两侧，它们都可记录到一套在时间上干涉的条纹。这种方法可用来监视由该对脉冲逐出的电子。由一个光波间隔分开的二个峰,在时间域相互干涉(见图3)。   

    理论工作者正在努力工作，试图解释日益增多的实验结果。 激光场的强度是个关键参数。Eberly说，通过简化相互作用，即认为被影响的电子只作直线运动, 这样，“物理问题就变成一维问题”。这种简化为理论工作者提供了一个处理量子力学中无法模拟的多电子相互作用的方法，鼓励Eberly去处理三个电子的相互作用。 

    这项研究才刚刚开始。林肯Nebraska大学的Anthony Starace说：“我们处在该领域的最低层，目标仍不明显,但大家感到：这个新科学有许多机会”。