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深度解讀

上海光機(jī)所在激光直接度量阿秒電子動力學(xué)研究中獲進(jìn)展

激光制造網(wǎng) 來源:上海光學(xué)精密機(jī)械研究所2020-12-22 我要評論(0 )   

近日,中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在阿秒電子動力學(xué)領(lǐng)域取得進(jìn)展,采用高對比度飛秒激光脈沖技術(shù)與等離子體鏡鎖相機(jī)制,解決了飛秒激...

近日,中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在阿秒電子動力學(xué)領(lǐng)域取得進(jìn)展,采用高對比度飛秒激光脈沖技術(shù)與等離子體鏡鎖相機(jī)制,解決了飛秒激光脈沖與阿秒電子脈沖的時空同步難題,實(shí)驗(yàn)中觀測到電子在光場調(diào)制下的空間條紋圖,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了“全光阿秒電子示波器”的可行性。該研究揭示了強(qiáng)光場下固體表面阿秒時間尺度超快而復(fù)雜的電子動力學(xué)過程,為從飛秒電子度量學(xué)跨越到阿秒電子度量學(xué)提供了新參考。相關(guān)研究成果以Direct mapping of attosecond electron dynamics為題,發(fā)表在《自然-光子學(xué)》(Nature Photonics)上。


光子與電子相互作用是自由電子激光、阿秒科學(xué)和物質(zhì)科學(xué)的前沿問題之一。超快電子學(xué)研究目前已達(dá)到飛秒(fs, 10-15秒)量級時間分辨率,并在超快電子顯微鏡、超快條紋相機(jī)和自由電子激光方面取得豐碩進(jìn)展,但是原子、分子和凝聚態(tài)物質(zhì)內(nèi)部的動力學(xué)研究需要亞飛秒甚至阿秒(as, 10-18秒)時間分辨率。通過飛秒光場直接度量電子的亞周期動力學(xué)特性,可以提供前所未有的阿秒級時間分辨率,但飛秒激光脈沖與阿秒電子脈沖難以實(shí)現(xiàn)高精度時空同步。


強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新發(fā)展了XPWG+OPA [Optics Express 26, 2625-2633 (2018)]等技術(shù),有效提升現(xiàn)有百太瓦和拍瓦級超強(qiáng)超短激光系統(tǒng)時間對比度,相應(yīng)技術(shù)已進(jìn)一步應(yīng)用于國家重大基礎(chǔ)設(shè)施上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置(SULF)[High Power Laser Science and Engineering 8, e4 (2020)]。實(shí)驗(yàn)中,研究人員利用高對比度的800nm飛秒激光脈沖聚焦到反射鏡面上,如圖1所示,電子在激光鎖定相位下以阿秒電子脈沖鏈形式出射,解決了激光光場-阿秒電子脈沖之間的精確時空同步的難題。


研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)、中科院超強(qiáng)激光科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年項(xiàng)目、中科院基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究計劃、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會等的支持。

圖1.激光直接度量阿秒電子動力學(xué)實(shí)驗(yàn)示意圖。圖1展示了觀測到的典型電子空間分布特征,除了觀測到由激光有質(zhì)動力排空而導(dǎo)致的電子低密度區(qū),以及由經(jīng)歷激光真空加速過程的電子而形成的電子束斑外,在有質(zhì)動力排空區(qū)觀察到在激光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(fā)射的阿秒電子脈沖在激光場調(diào)制下形成了條紋結(jié)構(gòu)分布,這一作用過程把電子按時間的先后順序轉(zhuǎn)換成了空間投影,根據(jù)電子空間分布可直接反演其阿秒時間動力學(xué)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(qiáng)1012V/m,瞬時掃描速度可達(dá)60 μrad/as,而其時間分辨率高達(dá)阿秒量級。該研究驗(yàn)證了“全光阿秒電子示波器”的可行性,實(shí)現(xiàn)對自由電子脈沖序列阿秒動力學(xué)的直接探測,為未來實(shí)現(xiàn)全光阿秒電子度量提供了重要參考。


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