雷射直接度量阿秒電子動力學研究獲進展

2020-12-09 中科院之聲

近日，中國科學院上海光學精密機械研究所強場雷射物理國家重點實驗室在阿秒電子動力學領域取得進展，採用高對比度飛秒雷射脈衝技術與等離子體鏡鎖相機制，解決了飛秒雷射脈衝與阿秒電子脈衝的時空同步難題，實驗中觀測到電子在光場調製下的空間條紋圖，實驗驗證了「全光阿秒電子示波器」的可行性。該研究揭示了強光場下固體表面阿秒時間尺度超快而複雜的電子動力學過程，為從飛秒電子度量學跨越到阿秒電子度量學提供了新參考。相關研究成果以Direct mapping of attosecond electron dynamics為題，發表在《自然-光子學》（Nature Photonics）上。

光子與電子相互作用是自由電子雷射、阿秒科學和物質科學的前沿問題之一。超快電子學研究目前已達到飛秒（fs, 10-15秒）量級時間解析度，並在超快電子顯微鏡、超快條紋相機和自由電子雷射方面取得豐碩進展，但是原子、分子和凝聚態物質內部的動力學研究需要亞飛秒甚至阿秒（as, 10-18秒）時間解析度。通過飛秒光場直接度量電子的亞周期動力學特性，可以提供前所未有的阿秒級時間解析度，但飛秒雷射脈衝與阿秒電子脈衝難以實現高精度時空同步。

強場雷射物理國家重點實驗室創新發展了XPWG+OPA [Optics Express 26, 2625-2633 (2018)]等技術，有效提升現有百太瓦和拍瓦級超強超短雷射系統時間對比度，相應技術已進一步應用於國家重大基礎設施上海超強超短雷射實驗裝置（SULF）[High Power Laser Science and Engineering8, e4 (2020)]。實驗中，研究人員利用高對比度的800nm飛秒雷射脈衝聚焦到反射鏡面上，如圖1所示，電子在雷射鎖定相位下以阿秒電子脈衝鏈形式出射，解決了雷射光場-阿秒電子脈衝之間的精確時空同步的難題。

研究工作得到中科院戰略性先導科技專項（B類）、中科院超強雷射科學卓越創新中心、國家自然科學基金優秀青年項目、中科院基礎前沿科學研究計劃、中科院青年創新促進會等的支持。

圖1.雷射直接度量阿秒電子動力學實驗示意圖。圖1展示了觀測到的典型電子空間分布特徵，除了觀測到由雷射有質動力排空而導致的電子低密度區，以及由經歷雷射真空加速過程的電子而形成的電子束斑外，在有質動力排空區觀察到在雷射偏振方向上呈近周期性分布的電子束條紋。

圖2.電子在光場下相位分布圖（a）與電子空間分布圖（b）。圖2展示了不同空間分布電子在光場相位下分布及空間分布。周期性發射的阿秒電子脈衝在雷射場調製下形成了條紋結構分布，這一作用過程把電子按時間的先後順序轉換成了空間投影，根據電子空間分布可直接反演其阿秒時間動力學過程。

圖3.「全光阿秒電子示波器」概念圖。「全光阿秒電子示波器」概念（圖3）中「偏壓」電場場強1012V/m，瞬時掃描速度可達60 μrad/as，而其時間解析度高達阿秒量級。該研究驗證了「全光阿秒電子示波器」的可行性，實現對自由電子脈衝序列阿秒動力學的直接探測，為未來實現全光阿秒電子度量提供了重要參考。

來源：中國科學院上海光學精密機械研究所

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