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超強激光科學卓越創新簡報
(第一百五十四期)
2020年12月7日
上海光機所在激光直接度量阿秒電子動力學研究方面取得重要進展
  近期,中彩神-首页強場激光物理國家重點實驗室在阿秒电子动力学领域取得重要进展,采用高对比度飞秒激光脉冲技术与等离子体镜锁相机制,解决了飞秒激光脉冲与阿秒电子脉冲的时空同步难题,实验中观测到电子在光场调制下的空间条纹图,实验验证了“全光阿秒电子示波器”的可行性。研究揭示了强光场下固体表面阿秒时间尺度超快而复杂的电子动力学过程,为从飞秒电子度量学跨越到阿秒电子度量学提供了新的参考。相关研究成果以“Direct mapping of attosecond electron dynamics”为题发表于《自然光子学》(Nature Photonics
  光子與電子相互作用是自由電子激光、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)量级时间分辨率,并在超快电子显微镜、超快条纹相机和自由电子激光方面取得丰硕进展,但是原子、分子和凝聚态物质内部的动力学研究需要亚飞秒甚至阿秒(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現高精度時空同步。
  強場激光物理國家重點實驗室创新发展了XPWG+OPA [Opt. Express 26, 2625-2633 (2018)]等技术有效提升现有百太瓦和拍瓦级超强超短激光系统时间对比度,相应技术已进一步应用于国家重大基础设施上海超强超短激光实验装置(SULF)[High Power Laser Sci. Eng. 8, e4 (2020)]。在该实验中,研究人员利用高对比度的800nm飞秒激光脉冲聚焦到反射镜面上,如图1所示,电子在激光锁定相位下以阿秒电子脉冲链形式出射,解决了激光光场-阿秒电子脉冲之间的精确时空同步的难题。
  原文鏈接
  
图1 激光直接度量阿秒电子动力学实验示意图
  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動力排空而導致的電子低密度區,以及由經曆激光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了在激光偏振方向上呈近周期性分布的電子束條紋。
 
图2 电子在光场下相位分布图(a)与电子空间分布图(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沖在激光場調制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。
图3 “全光阿秒电子示波器”概念图 
  該“全光阿秒電子示波器”概念(圖3)中“偏壓”電場場強1012V/m,瞬时扫描速度可达60 μrad/as,而其时间分辨率高达阿秒量级。该工作验证了“全光阿秒电子示波器”的可行性,实现对自由电子脉冲序列阿秒动力学的直接探测,为未来实现全光阿秒电子度量提供了重要参考。
  相关工作得到了中科院先导专项(B类)、中科院超强激光科学卓越创新中心、国家自然科学基金优秀青年项目、中科院基础前沿科学研究计划、中科院青年促进会等项目支持。(強場激光物理國家重點實驗室供稿)
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