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光学工程
超快激光技术

超强超快激光场激励的高次谐波现象的发现与不断深入的研究,不仅为获得真空紫外区(VUV)与极端紫外区(XUV)波段全相干光源提供了一种有效途径,也为亚飞秒甚至阿秒级极端超快短波长相干辐射的产生提出了全新的思想与方法,从而有可能突破飞秒的壁垒,为人类创建极端超快的阿秒光子技术,并开创出阿秒光谱学、阿秒物理学乃至阿秒科学技术的全新学科与未来高技术领域。

超强超快激光场中高次谐波发射研究已取得重大突破,高次谐波已进入”水窗”波段。 当前,产生亚飞秒乃至阿秒数量级极端超快相干辐射的新概念、新方法的研究,正日趋活跃。在短波长X射线波段激光研究方面,现有的X射线激光机制无法实现波长小于2纳米的突破,超强超快激光的出现为实现基于内壳层跃迁等新机制的超短波长相干辐射提供了可能性。目前超强超快激光驱动的内壳层光电离超短波长相干辐射新机制研究也已成为本领域的新热点。

超强超快激光技术也为超快化学动力学、微结构材料科学、超快信息光子学与生命科学等前沿交叉学科的发展提供了创新手段与方法。例如,超强超快激光自身及其与物质相互作用产生的飞秒甚至可能是亚飞秒、阿秒数量级的XUV和 X射线波段的极端超快相干光源技术,为人类研究并应用各种超快过程提供了强有力的手段,将使人类在更深的层次上进一步认识微观世界物质内部的能量转移和信息传递过程,进而可能实现人工控制某些物理、化学和生物过程,促进微结构材料科学、超快化学动力学等交叉学科领域的研究与发展,产生具有重大影响的突破性交叉前沿研究成果。

近年,在飞秒激光应用于化学反应动力学方面的研究进展格外引人注目。泽韦尔(A.H.Zewail)由于在发展飞秒光谱技术,并研究化学反应过程中寿命极短的过渡态方面的成就,被授予1999年度诺贝尔化学奖。上述进展也为利用超快强激光控制化学反应带来了新的希望。有选择地断裂或形成一些小分子化学键已经成功,但是对大分子复杂体系却一直未能突破。超快强激光技术与近场光学显微技术相结合,可以对激光与分子的相互作用进行多维控制,这是研究”单分子物理学”或”单分子化学”的有力手段,并有可能用以对生物大分子进行”剪裁”。

超快强激光在物质微结构的制备与超快动力学行为的研究方面,包括超高时空光谱分辨新探测手段的开拓与应用也取得了显著进展。如光泵-超快X射线衍射探针测量技术应用于单晶的超快晶格动力学研究已经实现了皮秒-毫埃的超高时空分辨率;微爆炸和微聚合已使得人们有可能用超快强激光得到优于衍射极限、小于光波长的材料处理精度, 在三维高密度数据存储中带来了新的应用。最近的实验也已证实,利用飞秒强激光按微米的间隔,断续照射含稀土元素钐微粒子的玻璃,加上多重波长重叠记录技术,记录密度可提高到1014比特/厘米3等。

中科院上海光机所从1980年代中期起,在国家自然科学基金重大项目、中国科学院重大项目等支持下,在国内率先开展了强场激光条件下的激光与物质相互作用研究,包括在电离阈值以上原子的多光子电离,强场诱导原子的自电离和其他重要的强场量子现象,以及超强超快激光脉冲在等离子体中的传输、频率上转换、高次谐波辐射及等离子体电子加速器等方面的系统研究,受到国际同行的高度评价。

1990年代,中科院上海光机所、西安光机所、物理所在”八五”攀登计划项目、”九五”攀登计划预选项目和 “九五”中国科学院重大基础研究项目等的支持下,不仅在超强超快激光技术的研究,而且在超强超快激光与物质的相互作用和在交叉学科的前沿基础研究等方面也取得重要进展。例如成功建成了具有国际一流水平的小型化飞秒、5太瓦级超强超快激光实验装置;在超强超快激光驱动的高次谐波辐射,超强超快激光与原子、分子、团簇的相互作用动力学行为,超强超快激光与单电子的相互作用,超强超快激光与高温高密度等离子体的相互作用以及多类超快过程等的研究方面也都取得重要成果,受到国际同行关注。

1999年7月在瑞士召开的国际超快光学会议上,国际著名的强场激光物理学家巴蒂(C. Barty)在开幕式上作了题为”全世界高强度激光的挑战、前景与展望(High Intensity Lasers Around the World: Challenges, Prospects, Perspectives)”的大会主题报告,当他评述当前全世界正在运行的小型化台式超强超快激光装置时,特别列举了中科院上海光机所的5.4太瓦、46飞秒级小型化超强超快激光装置,当场展示该装置的多张图片。表明中国在国际超强超快激光领域已占有一席之地。

上海光机所强光光学开放实验室近年来牵头并与国内一流科研机构及高等院校进行了成功的合作研究,该实验室在超强超快激光领域已逐渐成为我国基础研究以及高技术与交叉学科领域中的应用基础研究基地,国际交流与合作研究基地,以及培养与吸引青年科技人才的基地。1999年该实验室牵头并主持申请的国家”973″基础科学前沿项目”超强超短激光科学中若干重要前沿问题”,经严格评审,成功立项,是当年”973″项目中”基础科学前沿领域”的首批入选项目。

为开拓发展OPCPA新原理,上海光机所强光光学开放实验室利用自行发展的小型化高功率钕玻璃强激光系统结合国内已有的非线性晶体的传统优势与基础,已部署进行10太瓦级OPCPA新原理的实验验证,并探索建成基于OPCPA原理的小型化10太瓦(即”13号”)级和更高数量级超强超快激光装置的全新科学技术途径。目前在OPCPA新原理验证的实验与理论研究方面及系列关键技术的攻关上,取得了重要进展。这些工作不仅为基于OPCPA的小型化10太瓦级超强超快激光装置的顺利建成,而且也为开拓一条能突破原有台式CPA技术无法跨越1021瓦/厘米2光场条件屏障的新途经,从而在短时间内直接促使我国超强超快激光走向世界的最前列奠定了扎实基础。

最近,上海光机所强光光学开放实验室成功建立了当前我国最为先进并达到国际一流水平的15太瓦、35飞秒级小型化超强超快激光装置。该激光系统具有优良的光束质量,具备了提供1018~1019瓦/厘米2的超高激光功率密度的强场超快极端条件的能力,是进行相对论性强场与物质相互作用研究不可缺少的实验工具。

中科院西安光机所首次实现了掺铬氟化锶锂激光器的双波长运转,得到45飞秒的激光短脉冲;在同步泵浦多波长飞秒激光器研究中获双波长运转参数的优良指标,其三波长飞秒激光运转属首创成果等。在超快X射线探测原理与技术方面,也获得了多项具有国际先进水平的成果。如研制成功微通道板(MCP)选通50皮秒分辨能力的X射线分幅相机,以及0.88皮秒分辨能力的X射线条纹相机。

天津大学开展飞秒激光的研究工作近20年,积累了丰富的理论和实验经验。在飞秒固体激光研究中,首次观察到自锁模自调Q、飞秒脉冲分裂、脉冲碰撞、脉冲序列周期性调制,以及飞秒太瓦激光脉冲在液体传输中的平台超连续光谱等多种新现象。

中科院物理所进行了外静电场和磁场存在条件下高次谐波发射的半经典理论研究,超强超快激光与原子、分子相互作用的全量子非微扰理论研究,以及超强超快激光与固体相互作用中的高能粒子发射研究并取得重要进展。

复旦大学物理系在强激光场非线性康普顿效应与电子加速的研究中,获得重要进展,尤其是发现了当激光强度超过某一阈值,电子与光束的相互作用将表现出全新的特性,电子有可能被激光束俘获并被猛烈加速到吉电子伏以上。这一成果得到国内外同行的重视与好评。

在微结构材料科学的交叉前沿领域,中科院上海光机所在近年承担的自然科学基金重点项目”高分辨三维成像技术的研究及其应用”中,已经成功地研制了纵向分辨至纳米的扫描共焦显微镜,并已在光存储材料的荧光寿命成像研究方面做出了较好的工作。北京大学物理系也在超快光谱技术及其应用研究中取得国际水平的研究成果,同时结合人工微结构和介观物理国家重点实验室的优势,已经在微结构制备及其性能研究上获得了有意义的结果。

在超快化学动力学研究方面,中科院化学所和大连化物所在利用飞秒激光技术进行超快化学过程的观察与控制方面取得不少成果。在其他飞秒超快过程研究方面,中山大学等单位在稀土离子超快速光谱、半导体超快速光学性质、高速光电子技术等研究中也获得了引起国际同行瞩目的重要成果。

相对而言,超强超快激光科学是一门非常年轻的新学科,正处在出现重大突破的前夜。展望21世纪,中国科学家可望在这一现代物理学乃至现代科学活跃的前沿领域中,做出重要建树。这既是挑战,更是难得的机遇。

 


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