用于阿秒科学和强场物理的少周期掺镱激光源

量子物理 光学 物理学
掺镱激光 阿秒科学 强场物理 非线性压缩 高次谐波产生

背景介绍

阿秒科学（attosecond science）是研究电子在原子、分子和固体中超快动力学的前沿领域。自高次谐波产生（High-Order Harmonic Generation, HHG）和阿秒脉冲的实验实现以来，阿秒科学迅速发展，成为研究电子动力学的强大工具。然而，传统的钛宝石（Ti:Sapphire, Ti:Sa）激光器虽然在高次谐波产生和阿秒脉冲生成中表现出色，但其高量子缺陷和高热负载限制了其在高重复频率和高平均功率下的应用。近年来，掺镱（Ytterbium, Yb）激光器因其低量子缺陷、高重复频率和高平均功率的特性，逐渐成为阿秒科学中的新兴工具。本文探讨了掺镱激光器在阿秒科学中的应用，并回顾了其在非线性压缩、阿秒脉冲生成和电场测量方面的最新进展。

论文来源

本文由Tran-Chau Truong、Dipendra Khatri、Christopher Lantigua、Chelsea Kincaid和Michael Chini共同撰写，作者分别来自美国俄亥俄州立大学（The Ohio State University）和中佛罗里达大学（University of Central Florida）。论文于2025年4月16日发表在APL Photonics期刊上，题为《Few-cycle Yb-doped laser sources for attosecond science and strong-field physics》，属于“Advances Enabled by Ytterbium: From Advanced Laser Technology to Breakthrough Applications”专题。

论文主要内容

1. 掺镱激光器的优势与应用

掺镱激光器因其低量子缺陷和高效率，能够在高重复频率和高平均功率下工作，适用于工业应用和阿秒科学。与钛宝石激光器相比，掺镱激光器在薄盘和光纤激光器几何结构中表现出更高的稳定性和更低的维护需求。然而，掺镱激光器的增益带宽较窄，导致其脉冲持续时间较长（>100 fs至>1 ps），无法直接生成阿秒脉冲。因此，掺镱激光器最初被用作少周期光学参量放大器（OPA）和光学参量啁啾脉冲放大器（OPCPA）系统的泵浦源。

2. 非线性压缩技术

为了生成少周期脉冲，研究人员开发了多种非线性压缩技术，包括空心毛细管光纤（Hollow-Core Capillary Fiber, HCF）和多通池（Multi-Pass Cell, MPC）。HCF通过将激光脉冲在充气毛细管中传播，利用自相位调制（Self-Phase Modulation, SPM）实现光谱展宽，然后通过色散补偿压缩脉冲。MPC则通过在非线性介质中多次聚焦光束实现光谱展宽，具有更高的能量效率和更短的脉冲持续时间。近年来，MPC技术在高平均功率和高能量脉冲压缩中取得了显著进展，压缩效率高达98%，脉冲持续时间可缩短至几飞秒。

3. 阿秒脉冲生成

阿秒脉冲生成主要通过高次谐波产生（HHG）实现。掺镱激光器的高重复频率和高平均功率为HHG提供了更高的光子通量和更短的数据采集时间，特别适用于需要低光子数的实验，如电子和离子符合探测（coincidence electron and ion detection）和表面光电子能谱（surface photoemission spectroscopy）。通过非线性压缩技术，掺镱激光器可以生成少周期脉冲，进而驱动HHG生成宽连续谱的阿秒脉冲。实验表明，掺镱激光器在氦气中生成的谐波能量可达350 eV，光子通量高达10^5 photons/s。

4. 电场测量技术

除了生成阿秒脉冲，直接测量超短激光脉冲的电场波形也为阿秒科学提供了新的研究手段。光学场采样（optical field sampling）技术通过快速时间门直接测量电场的亚周期动态，无需复杂的重建算法。近年来，基于强场响应的电场测量技术（如隧道电离和固体中的多光子激发）在皮秒至近红外频率范围内实现了环境条件下的电场测量。这些技术为阿秒科学提供了新的研究工具，能够探索电子动力学和量子真空涨落等超快现象。

论文的意义与价值

本文综述了掺镱激光器在阿秒科学中的应用，展示了其在非线性压缩、阿秒脉冲生成和电场测量方面的最新进展。掺镱激光器的高重复频率和高平均功率为阿秒科学提供了新的实验平台，能够实现高光子通量和短数据采集时间，特别适用于复杂光谱技术和多维光谱测量。此外，掺镱激光器的稳定性和高效性使其成为实验室级阿秒源的理想选择，有望推动阿秒技术在物理、化学和生物等领域的广泛应用。

研究亮点

  1. 高重复频率与高平均功率：掺镱激光器能够在高重复频率（kHz至MHz）和高平均功率（kW级）下工作，为阿秒科学提供了更高的光子通量和更短的数据采集时间。
  2. 非线性压缩技术：通过HCF和MPC技术，掺镱激光器能够生成少周期脉冲，驱动HHG生成宽连续谱的阿秒脉冲。
  3. 电场测量技术：基于强场响应的电场测量技术为阿秒科学提供了新的研究手段，能够直接测量电场的亚周期动态。
  4. 应用前景：掺镱激光器的稳定性和高效性使其成为实验室级阿秒源的理想选择，有望推动阿秒技术在多个领域的广泛应用。

结论

掺镱激光器在阿秒科学中的应用展示了其在非线性压缩、阿秒脉冲生成和电场测量方面的巨大潜力。随着掺镱激光器技术的不断进步，阿秒科学将迎来新的发展机遇，推动对电子动力学的深入理解和复杂系统的研究。