亚周期光场产生中的紫外脉冲整形

Waveform Nonlinear Optics aims to study and control the nonlinear interactions of matter with custom-tailored sub-optical-cycle waveforms. In this regime, the time-evolution of the optical electric field deviates strongly from a sinusoidal carrier-wave oscillation with in a single cycle of light, so that the usual approximations of nonlinear optics break down, and new phenomena and opportunities arise. More specifically, in high-harmonic generation (HHG) and attoscience, sub-cycle driving pulses will enable the efficient generation of intense isolated attosecond pulses. The multi-channel waveform synthesis based on self-phase modulation (SPM) in a single-color-driven gas-filled hollow-core fiber recently allowed the generation of microjoule-level sub-cycle pulses. Unfortunately, the energy-scaling bottleneck in the UV channel extremely limits the total output energy of such synthesizer and precludes many interesting applications in attoscience. In this proposal, grounded on the attosecond beamline in CAS, we will establish millijoule-level sub-optical-cycle waveform synthesis based on induced-phase modulation (IPM) in a two-color-driven gas-filled hollow-core fiber. By adjusting the relative intensity ratio and the temporal delay between the input pulses, we will have control over the spectral shape of the supercontinuum and efficient generate ultrabroadband optical pulses. Such an IPM-based synthesizer is expected to greatly relive the energy-scaling bottleneck in the UV region, and the enhanced spectral broadening of the UV region is particularly appealing for the realization of ultrahigh HHG conversion efficiencies. We foresee these waveforms will govern light-matter interactions in strong-field attoscience experiments.

亚周期超快光场所对应的波形时域演化已偏离了正弦振荡模式，传统非线性光学中的近似理论不再适用，因此波形控制的非线性光学应运而生。作为产生高强度孤立阿秒脉冲的最佳光源，波形可控的亚周期光场适用于研究光与物质的相互作用，并将引发物理新现象和技术新进展。目前多通道相干合成利用单光场空心波导的自相位调制，已能实现微焦能量的亚周期光场。但紫外通道的能量限制了合成光场的总能量，从而阻碍了其在阿秒科学中的许多重要应用。针对此瓶颈，本项目组拟在已有阿秒装置的基础上，利用双光场空心波导的诱导相位调制，提高超宽带光场中各个合成分量的产生效率；并通过优化两束入射光的相对强度和延时，精密调控超连续光谱，实现毫焦量级亚周期合成光场。本课题旨在突破亚周期光场的能量瓶颈，利用增强的紫外光谱极大地提高高次谐波的转换效率。由此获得的高强度孤立阿秒脉冲将为强场阿秒物理领域提供新机遇。

本项目聚焦亚周期光场产生中的紫外脉冲整形研究。项目团队在项目执行期间充分利用自相位调制技术，互相位调制技术，诱导相位调制技术，紫外脉冲色散管理技术，相干合成技术和平衡光学互相关阿秒同步技术等超快激光前沿技术，克服了亚周期光场产生过程中紫外波段的主要技术瓶颈。本项目基于充气空心光纤展宽后的超倍频程连续光谱，先分波段独立压缩，再利用方法锁定子脉冲之间的相位延迟，获得了接近单周期的高能量合成脉冲，并为高能量亚周期光场的产生铺平了道路。本项目所取得的实验结果表明相干合成技术在高能量亚周期超快光场调控中存在明显优势，其根本原因在于当单路脉冲激光的连续谱超过一个倍频程时，精确控制其光谱相位色散管理是获得亚周期超短脉冲激光的关键。由于常见的脉冲压缩系统存在光谱带宽限制，因此多通道相干合成技术受到了广泛的关注。本项目所产生的亚周期超快光场所对应的波形时域演化已偏离了正弦振荡模式，不同于传统非线性光学中的近似理论，因此可以作为产生高强度孤立阿秒脉冲的最佳光源。尤其是波形可控的亚周期光场特别适用于研究光与物质的相互作用，本项目突破亚周期光场的能量瓶颈，利用增强的紫外光谱极大地提高高次谐波的转换效率，为获得的高强度孤立阿秒脉冲将为强场阿秒物理领域提供新机遇。亚周期光场产生中的紫外脉冲整形技术目前已是超快光学领域的重要研究方向之一，是目前实现新型光场调控的核心技术之一。