可调谐中红外强激光脉冲驱动下水窗波段阿秒脉冲的产生与表征

Recently, human has strided from femtosecond era forward to attosecond era. However, sientists always challenge the limits of the basic physical quantities, such as time, space and frequency. Thus, pursuing the shortest possible duration, meanwhile how to generation the attosecond coherent laser source with the wavelength as short as possible (the frequency as high as possible), even in the water window, is a extremely vital research hotspot and intrest.The cut-off frequency of high-order harmonic is proportional to square of the wavelength of the driving laser field. So with the appearance and fast development of the tunable midinfrared intense ultrafast laser pulses with longer wavelength, it becomes not difficult to achieve high-order harmonic emission in the water window even in the keV region. Nevertheless, single attosecond pulses are more suitable for studying the ultrafast electronic dynamics of biological samples in water. So far, the generation of single attosecond pulses in the water window is a frontier scientific problem desiderated to break through. This project proposes the research on the generation and characterization of single attosecond pulses in the water window driven by the emerging tunable midinfrared intense laser field, using the multicycle two-color method, macroscopic phase-matched technique, and the charge resonance-enhanced ionization of molecules.

近年，人类已起步由飞秒时代向阿秒时代迈进。然而科学家们总是不断在时间、空间、频率等基本物理量上挑战极限。因此在追求尽可能短的持续时间的同时如何获得尽可能短的波长（尽可能高的频率）乃至水窗波段的阿秒相干光源是目前极为重要的研究热点与方向。高次谐波的截止频率与驱动激光波长的平方成正比，因此随着更长波段的可调谐中红外新波段强场超快激光的出现与迅猛发展，产生水窗波段乃至keV量级的高次谐波辐射并不困难，但是能更好地用于探测水中生物样品的电子动力学过程的还是单个阿秒脉冲。目前产生水窗波段的单个阿秒脉冲还是该领域亟待突破的前沿科学问题。本项目旨在利用目前新兴的可调谐中红外新波段强场激光驱动，探索利用多周期双色场技术，宏观位相匹配技术和分子的电荷共振增强电离效应等产生水窗波段单个阿秒脉冲，并探索研究水窗波段阿秒光脉冲的测量新方法对其进行表征。

本项目经过项目组成员的合作与努力，全面完成了研究计划与目标，取得了若干重要创新进展及原创性研究成果。主要包括：.高光子能量的高次谐波产生及其特性研究.（1）利用周期量级中红外激光脉冲驱动获得450eV的水窗波段高次谐波连续谱,并通过提高光强、改进探测设备和优化位相匹配，进一步获得1.2keV左右的高次谐波源；（2）首次演示多光周期垂直偏振双色场驱动下少次碰撞的存在，提出通过光谱提取单次碰撞来产生单个阿秒脉冲，是几百乃至keV波段获得高产率单阿秒脉冲的有效方案；（3）周期量级中红外激光驱动首次在产生高次谐波的过程中观测到Xe+的三个瞬态吸收峰，吸收峰深度随驱动激光CEP的变化呈周期性振荡，这说明高次谐波源在介质中的瞬态吸收特性具备用于阿秒脉冲宽度测量的可行性。.高亮度的高次谐波产生及其特性研究.（1）利用~0.5TW/800nm激光与Ar气相互作用建成了100nJ级30nm波段的软X射线相干光源；（2）利用亚周期波形可控、X-Y偏振可控的多色激光驱动场在前期工作基础上将单色极紫外相干辐射强度进一步提高1-2个数量级，同时对比度提高了几倍。.本项目立项以来，在国内外重要刊物上发表学术论文共20篇，均为SCI 收录，在影响因子IF>2的SCI刊物上发表学术论文13篇，特别是在本学科领域具有重要国际影响（影响因子IF>3）的国际光学领域的顶尖刊物Appl. Phys. Lett. 和 Opt. Express上发表7篇；在国际物理学领域的著名刊物Phys. Rev. A上发表2篇；项目负责人以第一作者在World Scientific上撰写1个章节。另外本项目已获准授权的发明专利2项。.本项目在队伍建设和人才培养方面也取得了一定业绩，例如项目负责人郑颖辉，2013年获第八届“饶毓泰基础光学奖”二等奖，获2014年度中国科学院 “卢嘉锡青年人才奖”，2015年入选中科院青年创新促进会首批优秀会员(全院50人，人才资助150万)，于2015年由副研究员晋升为研究员，联合培养博士生2名，硕士生1名，1名博士后出站。国际合作与交流方面，2015年与以色列Gilad Marcus教授和瑞士Yunpei Deng博士开展合作实验并在Phys. Rev. Lett. 上发表论文[Phys. Rev. Lett. 116, 073901(2016)],本项目主要参与人员为共同作者。