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研究動態
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陸培祥教授團隊在阿秒時域精密測量領域取得進展
發布時間:2020-11-24

隨著人類對微觀物理研究的不斷深入,對探測技術的分辨率要求亦不斷革新,超短脈沖由于其極高的時間分辨率,一直以來都是探測微觀物理的重要手段,因此對超短脈沖的時間結構測量顯得至關重要。

近二十年來,隨著超快光學的不斷發展,超短脈沖已經達到了阿秒量級的原子時間尺度,然而由于傅里葉變換的性質,超高時間分辨尺度往往意味著更低的頻率分辨率,而原子分子的結構信息往往需在頻域中提取,因此,尋求一種同時結合時域和頻域分辨率的探測手段顯得至關重要。

近日,華中科技大學超快光學團隊以“All-optical attosecond time domain interferometry”為題在《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干涉方案。我院2017級博士生楊震為論文第一作者,曹偉教授、張慶斌教授和陸培祥教授為共同通訊作者。該方案利用強激光驅動的高次諧波阿秒脈沖序列作為時間干涉狹縫,通過引入弱的微擾場可以精確操控該干涉儀的時域波前,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沖的時間間隔相關,可以被用于對相關物理量進行精度測量。該方案克服了單個超短脈沖頻域分辨率低的弊端,兼具高的時間分辨本領和能量分辨本領。圖1為該干涉儀的原理圖。利用該項技術的超高時間分辨率,作者成功實現了任意偏振態光場時域波形的精密測量。

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

同時,利用該干涉儀特有的能量分辨率,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征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恒定值,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,這是由于氬原子具有更多電子殼層,其更復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。不同軌道間的相互干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干涉儀成功探測。

文本框: 圖2氖氣(a)及氬氣(b)與強激光相互作用時,產生的阿秒時間狹縫的間隔隨高次諧波能量的變化關系。

該方案將基于干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。

以上工作研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、湖北省對外科技合作等項目的經費支持。

文章信息:https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa211

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