時域、頻域解析度「雙高」的高精度探測手段

2020-11-26 知社學術圈

隨著微觀物理研究的深入，人們對探測技術解析度的要求不斷革新。近二十年來，超快光學不斷發展，超短脈衝已經達到了阿秒量級的原子時間尺度，具有極高的時間解析度，因而成為探測微觀物理的重要手段。


然而由於傅立葉變換的性質，超高時間分辨尺度往往意味著更低的頻率解析度，為從頻域中提取原子、分子的結構信息帶來困難。因此，尋求一種同時結合時域和頻域解析度的探測手段顯得至關重要。

最近，華中科技大學超快光學團隊在《國家科學評論》(National Science Review，NSR) 發表研究論文，提出了一種全光阿秒時域幹涉方案。該方案利用強雷射驅動的高次諧波阿秒脈衝序列作為時間幹涉狹縫，通過引入弱的微擾場，可以精確操控該幹涉儀的時域波前，進而影響最終高次諧波頻譜分布。單個高次諧波的頻率移動直接與微擾場的時域波形及阿秒脈衝的時間間隔相關，可以被用於對相關物理量的精度測量。

該方案克服了單個超短脈衝頻域解析度低的弊端，兼具高的時間分辨本領和能量分辨本領。圖1為該幹涉儀的原理圖。利用該項技術的超高時間解析度，作者成功實現了任意偏振態光場時域波形的精密測量。

圖1 全光阿秒時域幹涉儀原理：驅動場E0與原子相互作用產生阿秒脈衝序列，形成阿秒時域狹縫，狹縫間的幹涉在頻譜上形成幹涉條紋。弱的信號場能對電子軌跡進行擾動，從而改變幹涉儀的波前，最終導致幹涉條紋的移動。（a）掃描信號場和驅動場之間的延時得到幹涉條紋圖樣行跡圖。（b）由圖（a）幹涉條紋圖樣行跡圖提取的超短脈衝時域結構。

同時，利用該幹涉儀特有的能量解析度，作者也進行了微觀粒子結構信息的精密探測。圖2顯示了兩種不同原子（氬和氖）的實驗結果。圖2中橫坐標代表不同階次高次諧波信號隨延遲軸變化的頻譜分布，其極小值位置的倒數表徵了相鄰兩個阿秒時間狹縫的間隔。實現發現氖氣產生的阿秒時間狹縫間隔為恆定值，而氬氣產生的阿秒時間狹縫間隔在50eV左右發生一個微小的跳變，這是由於氬原子具有更多電子殼層，其更複雜的電子態結構導致高次諧波阿秒狹縫可以由兩種軌道貢獻。不同軌道間的相互幹涉使得阿秒狹縫呈現特殊的時域結構，這一異常結構最終能被該幹涉儀成功探測。

圖2 氖氣（a）及氬氣（b）與強雷射相互作用時，產生的阿秒時間狹縫的間隔隨高次諧波能量的變化關係。

該方案將基於幹涉手段的測量技術推廣到了阿秒時間-百毫電子伏時間頻率域，在精密測量方面具有廣闊的應用前景。

https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwaa211/5901452

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