调控超快光场的相干合成及驱动产生阿秒脉冲的研究

Attosecond physics and technology is the most cutting-edge research filed in ultrafast science and technology in recent years. Recent impressive advances in isolate attosecond pulses promise to offer a powerful control for electric dynamics, to permit the viability of petahertz-bandwidth metrology, and various important applications for strong field ionization and so on. The world's shortest laser pulse has been reset to sub 50 as. Unfortunately, the energy wavelength scaling bottleneck in the driving laser extremely limits the generation of even shorter energetic attosecond pulses and precludes many interesting applications in attoscience. In this proposal, based on our few-cycle femtosecond pulses generation, parametric optical amplification, and carrier envelope phase locking techniques, we employ the multi-channels (800 nm, 1200 nm, and 2400 nm) coherent synthesizer together with pressure optimized noble gases to enable more efficient generation of isolated attosecond pulses. We will explore physical mechanisms, invent a new technology of coherent synthesis of light transients, and produce attosecond pulses shorter than 50 as. Compared with the traditional optical electric field in single channel, the coherent synthesizer is expected to greatly overcome the bottlenecks in the attosecond science, which is particularly appealing for the realizing ultrahigh HHG conversion efficiencies. We foresee that the coherent synthesizer driving laser will re-set a new world record in attoscience and have huge impact beyond its traditional grounds.

阿秒物理与技术是近年来超快学科最前沿的研究内容，在电子动力学的探测与控制、PHz频率信息处理、强场电离等学科中有着重要应用。目前阿秒最短脉冲的世界纪录已突破了50as，但由于受驱动激光波长、脉宽及能量的限制，进一步采用已有技术获得更短的阿秒脉冲不仅面临极其复杂的挑战，而且能量也仅在nJ量级，无法开展大量非线性效应下的极端超快过程研究。针对这一瓶颈问题，本项目拟在我们周期量级飞秒脉冲产生、参量放大及载波包络控制技术的基础上，通过对中心波长800nm、1200nm及2400nm三束飞秒激光的相干合成，开展光场调控的飞秒激光与惰性气体相互作用高效率产生孤立阿秒脉冲的研究，结合对物理机制的探索，开拓调控相干合成光场产生阿秒脉冲的新技术，得到小于50as的结果。相比目前单路激光驱动的常规方案，这不仅是阿秒激光技术的重要创新，而且具有较高的谐波转换效率，有望创造新的世界纪录，无疑有着极其重要的意义。

本项目针对飞秒激光相干合成及产生阿秒高次谐波的物理及技术问题，理论上细致研究了惰性气体原子Ne发射高次谐波的性质以及合成阿秒脉冲的特点，通过优化多色相干合成激光的强度、波长、相位以及时间延迟等参数，给出了获得脉宽低于50as的单个阿秒脉冲的优化条件，发现通过双色激光与Ne原子相互作用获得的高次谐波输出特性比三色激光驱动下获得的结果有较大改进，非常接近无啁啾输出的阿秒脉冲，能够合成最短40as的结果，为在实验上获得单个极短阿秒脉冲提供了依据。实验上通过压缩800nm的放大脉冲，得到了单脉冲能量为5.15mJ、脉宽9.4fs、重复频率1kHz的结果；最短压缩脉宽达5.4fs。进一步通过相干合成脉宽分别为6.4fs和7.5fs的长短波段两路激光，得到合成脉冲宽度仅3.8fs的结果。此外利用自建的飞秒钛宝石激光作泵浦，获得了中心波长2864nm、单脉冲能量达520uJ的飞秒参量放大，通过对400nm与800nm双波长互相位调制诱导的光谱展宽，获得了支持1.6fs脉宽的相干合成脉冲。基于上述激光，开展了高次谐波产生的研究，通过调节400nm与800nm双色光场的延时，观察到当两路飞秒激光时间上重合时，高次谐波显著增强的结果，观察到光谱结构新颖的新现象。最后，通过将重复频率10kHz的飞秒钛宝石激光脉宽压缩到小于7fs的脉冲并实现CEP锁定，驱动Ne气体得到了最短脉宽86.2as的阿秒脉冲结果。这些结果的获得，对于进一步实现更短脉宽、更高能量及更多波段飞秒激光的相干合成，实现对极端光场的精确调控，产生脉宽小于50as 的高通量阿秒激光脉冲，从而通过与物质相互作用的研究，深入揭示物质在光场作用下微观动力学特性，具有重要的意义。.经过四年的研究，已建成一套少周期脉宽的飞秒激光相干合成装置及高重复频率阿秒激光产生装置，实现了部分飞秒激光的成果转化，已提供国防科大、中物院等单位用户。获得省部级科技二等奖2项，发表标注论文57篇，毕业博士研究生11名，引进海外优秀青年人才1人。