阿秒科学前沿开拓与强场量子相干控制研究

该研究产生更短脉宽、更高光子能量与更高亮度的阿秒相干光源以及原子分子中阿秒电子波包的探测和控制,预期目标主要包括:(1)实现亚飞秒时间尺度和原子级空间尺度内实时观测和控制电子动力学行为;(2)在多电子弛豫过程中,电子重排、电子-电子碰撞动力学等多电子复杂动力学研究中取得若干突破;(3)揭示有重要意义的化学反应的电子动力学物理本质。探索阿秒脉冲作用下物质的电子动力学新规律及其应用。开展中红外激光与气体介质相互作用产生高次谐波的实验和理论研究,采用双色场方法获得高次谐波连续谱,为进一步将阿秒脉冲宽度测量和光子能量推进到"水窗"做准备。从理论上深入了解分子结构和反应通道和分子高次谐波之间的联系,以及和激光参数之间的关系,为实验研究做准备。获得了一些系列研究成果,包括发现太赫兹辐射波形可以通过改变驱动激光脉冲的CEP而实现控制,在光丝等离子体中太赫兹辐射发生极性反转,利用周期量级极端超快激光脉冲光场自身的不对称性获得增强的太赫兹辐射;发现基于独立电子近似的遂穿模型不能解释次序双电离中的许多现象等。     

双色激光激励对空气中太赫兹辐射增强的研究

利用光电流模型模拟研究在泵浦光中引入400nm倍频光对空气中太赫兹辐射的增强情况,其中空气中氮气离化过程考虑到二阶离化,同时考虑电子在运动过程中与周围离子、分子的碰撞。结果表明,400nm激光的引入打破了原激光电场的对称性,导致了光电流中漂移成分的产生,大大增强了最后的太赫兹波输出强度。     

强场和原子分子物理专题·编者按

<正>随着啁啾激光放大技术及其相关研究的进展,人们在实验室中可以获得场强达到或者大于1014W/cm2、脉冲宽度小于100fs的激光脉冲.经过适当的压缩和参量转换过程,人们甚至可以获得脉冲宽度小于100as的光脉冲.原子分子体系在这样的光场作用下,表现出众多新奇的物理现象,包括多光子阈上电离、强场隧穿电离、越垒电离、相干高次谐波辐射、相干太赫兹辐射、分子阈上解离、分子键软化和硬化、分子库仑爆炸、阿秒瞬态吸收等.因为这类光场的电场强度可以和氢原子基态中电子感受到的原子核电场强度相当或者更大,脉     

半透明界下三层吸收性介制裁内的瞬态耦合换热

采用射线踪迹、节点分析法研究了3层吸收性介质层内的辐射和导热瞬态耦合换热,复合层表面及介质层交界面均半透明漫反射,采用1层和2层辐射能量传递模型跟踪辐射能量在3层介质内的传递,从而推导出了辐射传递系数,运用辐射传递系数求解辐射源项,在辐射对流边界条件下,采用全稳格式求解瞬态能量方程,考察了介质折射率及导热-辐射参数对耦合换热的影响。比较分析结果表明,所研究的模型和计算结果是可信的,可向任意多层辐射能量传递模型推广。     

基于石墨烯可调和增强太赫兹渡越辐射研究

太赫兹辐射具有量子能量低、信噪比高、频率宽等一系列特殊性质,在各个领域都具有相当重要的应用前景,随着太赫兹技术的发展以及应用领域的拓展,迫切需要性能各异的太赫兹辐射源.基于光子学和电子学相结合产生辐射的方法弥补了传统电子学方法产生的辐射功率高但频率低和传统光子学方法频率高但功率低的缺点,解决了太赫兹源遇到的难题.本文根据石墨烯表面等离子体波位于太赫兹波段的独特性,采用经典电磁理论,研究电子注以任意角入射石墨烯时产生太赫兹渡越辐射的场分布和光谱角分布;通过MATLAB数值计算,分析了渡越辐射的辐射特性,以及入射角度、介质和石墨烯电导率对所产生的渡越辐射的影响,利用光谱角分布更直观地展现了渡越辐射能量的特点.石墨烯电导率的可调节特性和这种特殊的边界条件,为研究可调太赫兹辐射源提供了灵活的选择和便捷的处理方式.     

太赫兹射线成像的进展概况

太赫兹辐射介于微波和红外之间．本文回顾了太赫兹射线成像的进展情况．与微波、X射线、核磁共振NMR(nuclear magnetic resonance)成像相比,太赫兹成像不仅能给出物体的密度信息,而且能给出频率域的信息,以及在光频、微波和X射线范围内所不能给出的材料的转动、振动信息．太赫兹射线与其他频段的电磁波相比,它能量低,不会造成对生物样品的电离损伤,而且太赫兹射线很容易穿过介电材料,因而可以用于产品的安全监测、纳米材料的无损探伤．因此太赫兹成像技术在生物学、工业安全监测等方面有可能带来新的关键性的突破．     

调节X2+同位素分子电荷共振增强电离时刻获得高强度阿秒脉冲

利用X_2~+同位素分子(H_2~+、D_2~+、T_2~+)谐波辐射的特点,提出一种有效获得高强度谐波连续区和孤立阿秒脉冲的方法.研究表明,在不同脉宽激光作用下,H_2~+、D_2~+和T_2~+分子可分别进入电荷共振增强电离区域.当激光振幅区域的半个周期正好处于电荷共振增强电离区域时,具有最大辐射能量的谐波能量峰正好具有最佳的辐射强度.随后,在此区域引入半周期单极激光场,被选择出来的谐波能量峰可以继续延伸,进而获得一个仅由单一能量峰贡献而产生的高强度谐波连续区.通过叠加连续区上的谐波可以获得脉宽仅为42 as的孤立阿秒脉冲.     

氨基酸分子水溶液的太赫兹无损检测

大多数生物分子在液体环境中才能维持其生物活性,实现液态生物分子的太赫兹(THz)光谱检测对活性生物分子的功能与结构.无创性生物医学检测的研究具有重要的应用价值.本文利用铌酸锂(LiNbO3)光整流产生的THz辐射,结合喇叭形渐变平行平板波导的局域电场增强效应,构建了可以检测微量活细胞和含水生物分子的THz时域光谱测量系统,实现了对4-氨基苯甲酸(4-Aminobenzoic Acid)及谷氨酸(Glutamic Acid)溶液的THz光谱检测.结果表明,去除水对THz波吸收的影响, 4-氨基苯甲酸以及谷氨酸水溶液在0.1–2.0 THz频段有明显且独特的特征吸收峰. THz频段内的氨基酸水溶液特征吸收谱的获取为活性生物大分子或组织的检测奠定了基础.     

空气中产生太赫兹波过程有关离化机制的理论模拟

在利用光电流模型模拟空气中太赫兹辐射的过程中,飞秒激光首先将大气离化,离化后的电子在外场下加速,产生一定量的太赫兹波。当飞秒激光的能量达到一定强度时,离化过程变得复杂,可发生多阶离化,并在产生离子数中扮演重要角色,尤其是二阶离化作用突出。文章重点讨论二阶离化对产生离子数的贡献。     

溴化锂对NH3-H2O-LiBr三元溶液特性作用机理的初步研究

针对目前吸收式制冷领域中研究的NH3-H2O-LiBr三元溶液混合工质,采用溶剂化作用模型和电解质NRTL方程,研究了溴化锂(LiBr)对溶液组成的影响.结果表明:随着LiBr初始摩尔分数的升高,水的溶剂化系数m先升高,后略有降低,氨的溶济化系数n始终呈下降趋势,并且在350 K、LiBr的初始摩尔分数大于0.03时m>n,离子溶剂化作用形成的离子簇包含的水分子多于氨分子;溶剂化作用后水的含量高于作用前的,但前后差值随LiBr初始摩尔分数升高而减小;随着温度的升高,m 降低,n 升高,离子吸引水分子的能力减弱而吸引氨分子的能力升高;完全电离的溶剂化模型只在LiBr的初始摩尔分数小于0.1时得到较好的结果,在LiBr的初始摩尔分数大于0.1时与部分电离模型产生较大的误差.     

温度对LiNbO3晶体THz辐射产生效率的影响

利用超短激光脉冲泵浦电光晶体LiNbO₃产生脉冲THz辐射, 并用非线性光学差频原理解释了THz的产生机制. 改变泵浦激光能量, 实验结果表明, THz脉冲波形的最大振幅与泵浦激光能量为平方关系, 随泵浦能量的增大, 晶体温度逐渐升高, 增加了对所产生THz辐射的吸收, 并逐渐偏离平方关系. 通过降低晶体温度, 减小TO声子-极化子因非谐振衰减为两个声学声子而引起的THz吸收, 提高了THz的产生效率.      

半绝缘GaAs光电导天线辐射THz电磁波展宽特性分析

介绍了自洽式多粒子蒙特卡罗方法模拟半绝缘GaAs光电导天线辐射THz电磁时域波形。模型中采用光能、脉宽可调飞秒激光器作为触发光源,模拟的THz电磁波形与实验基本吻合。通过载流子在光电导体内的动态输运特性,分析了辐射THz电磁波场比触发光脉冲展宽的物理机制在于:光生载流子在外电场作用下,从初始状态到速度达到稳态要经历一个动量和能量弛豫过程,而正是由于载流子动量和能量的弛豫过程导致光电导天线辐射的太赫兹波展宽。高光能、低偏置电场下,空间电荷电场是造成光电导天线辐射的THz波呈现双极性的主要原因。     

基于光电子成像技术的碘甲烷多光子电离行为

利用飞秒光电子成像技术研究了碘甲烷在超短激光脉冲场中的多光子电离解离行为.实验获得了碘甲烷分子在400 nm飞秒激光作用下的飞行时间质谱以及电离产生的光电子影像.实验结果表明,在超短脉冲激光场中,分子的电离通常是非共振电离,电离产物主要为母体离子和极少量的碎片离子.从光电子成像中获得的光电子平动能分布可以得到电离产生的电子p_1(2. 03 eV)和p_2(2. 67 eV)分别来源于母体离子的基态和激发态.从光电子成像中获得的角度分布可以推测出,光电子峰p_1和p_2可以分别近似看做单光子电离和双光子电离过程,且光电子散射角度趋于各向同性分布.     

Dissociation of NO2 in femtosecond intense fields

The study of molecules in strong laser fields is a challenging topic in molecular science[1―10]. With the advent of short-pulse lasers, the behavior of molecules can be explored on the time scale of vibrational mo-tions. An intense and linearly polarized…     

Editor’s note

The past two decades have witnessed great progress in development of ultrashort laser pulse in laser science, often at an unexpected speed. It has found various applications, both theoretical and practical, in the frontiers of science.     

水导激光加工光源选型与材料蚀除研究

水导激光加工系统中光源的输出参数对其加工能力有极为重要的影响.为进一步拓宽水导激光加工的应用领域,针对光源选型问题,建立了激光与水相互作用的物理模型.利用龙格库塔方法对不同脉宽和波长的激光辐照下水中焦点区域自由电子密度的演变过程进行数值模拟计算,探究了多光子电离、雪崩电离、电子扩散以及电子重组等物理进程对自由电子密度的影响,明确了不同激光参数下水的理论击穿阈值,并进行相应的实验验证.在此基础上选取合适的激光光源进行水导激光刻划304不锈钢的实验.结果表明,合适的激光光源可以在提升激光与水射流耦合效率、降低耦合损耗的同时,抑制加工过程中形成的热缺陷,实现高质量的水导激光加工.      

直流电纵向激励机械调Q CO2激光器的动力学分析

用一种快速斩波器实现简单直流电纵向激励CO₂激光的机械Q调制. 产生了峰值功率为1~2 kW、 重复频率为740 Hz、 单脉冲宽度为200~300 ns的激光脉冲. 用六温度模型模拟该机械调Q CO₂激光器Q调制的动力学过程, 分析了CO₂分子分解为CO分子比率、 腔内放电电子密度(放电电流)对输出脉冲强度的影响, 并计算了Q转换输出脉冲线形、 脉冲峰值功率及脉冲宽度, 理论计算分析与实验结果相符. 