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。     

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.     

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.     

激光等离子体相互作用下高次谐波特性研究

相对论激光与等离子体相互作用中形成的纳米电子束在强激光场中的相干同步辐射是产生相干极紫外线和X射线辐射的独特方式.相对论激光脉冲的宽度和等离子体的各种参数决定了产生单个阿秒脉冲还是阿秒脉冲串.在激光脉冲持续时间只有少数几个光学周期下,其载波包络相位对阿秒脉冲有重要影响.通过控制载波包络相位在合适的范围,可以得到孤立阿秒脉冲.除了驱动激光的载波包络相位,等离子体密度分布梯度和等离子体厚度也会影响阿秒脉冲的特性.     

反向旋转圆偏振双色激光场驱动下氩原子非顺序双电离研究

在经典系综模型下,研究了氩(Argon, Ar)原子在800 nm和400 nm反向旋转圆偏振双色(Counterrotating Circularly Polarized Two-Color, CRTC)激光场驱动下的非顺序双电离(Non-Sequential Double Ionization, NSDI)过程.理论分析了激光强度、双色场强度比、脉冲相对相位,以及激光脉冲宽度等光场参数对非顺序双电离机制及其量子产率的影响,得到了双电子能量的时间演化谱;发现并分析了两种不同的非顺序双电离机制;讨论了电子返回碰撞能对不同非顺序双电离过程的影响.     

大气压横向激励N_2激光器

由于瞬态激光光谱学、荧光寿命、光化学及光生物学效应等的研究发展,需要稳定可靠的超短脉冲强光光源.而输出谱线为3371埃的大气压N_2激光器,其结构简单,不需要真空密封和真空泵,容易获得高输出功率(兆瓦级以上),窄脉冲宽度(可达亚毫微秒级)和高脉冲重复率(可达1千赫以上)的紫外相干辐射,且稳定可靠,因此受到人们的普遍重视.横向激励的高气压氮分子激光器已成为目前氮激光器件研究中的一个新的动向.几十乇压力的低气压N_2激光器,其脉冲宽度一般为数毫微秒,对一些瞬态过程的研     

超短超强激光脉冲驱动等离子体波加速电子方案以及最新研究进展

随着超短超强脉冲激光技术的发展，人们可以在台面尺度获得光强超过10¹⁸W·cm^-2、脉宽小于100fs的超短脉冲激光.这种超短脉冲激光很容易把初始静止的电子加速到相对论能量.而更重要的是超短激光脉冲可以通过其有质动力激发大振幅的等离子体波（称为激光尾波场），把电子加速到更高的能量.其加速梯度可达到100GeV·m^-1，即在1mm的空间尺度把等离子体电子加速到100MeV.国际上4个实验室在2004年报道通过激光尾波场加速获得能量单色性以及方向性极好的电子束，使人们看到了激光尾波场加速电子的实际应用前景.文中简要介绍等离子体中激光尾波场加速电子的物理机制和方案、及该领域的最新进展和展望.     

飞秒激光分子结构成像

飞秒激光具有超短的脉冲宽度和超强的峰值功率,它在科学研究中的广泛应用极大地提高了人类认识物质世界的能力.本文介绍我们基于飞秒强激光作用下分子的隧道电离和库仑爆炸,在分子轨道和分子构型成像方面的研究进展.     

调频场作用下双光子电离光电子谱特性

应用微扰理论和数值计算方法,研究了调频光场作用下激发与电离模型中双光子电离光电子谱的相干特性.分析了调频光场的调制振幅、调制频率以及初相位对双光子电离光电子谱的影响.结果表明,调制振幅、调制频率以及初相位对双光子电离光电子谱有调制作用.选取合适的参量,可以实现对双光子电离光电子谱的量子控制.这一相干量子控制的机理是强场作用下激发态的粒子在两个缀饰态之间的选择性布局所致.     

整形飞秒激光耦合静电场导致的分子取向增强研究

为了进一步提高分子在复合场中的取向度,提出采用整形飞秒激光耦合静电场取向分子.飞秒激光采用3次方相位调制整形,整形后的激光脉冲类似于缓慢上升快速下降的激光脉冲,但是与后者相比,整形后的激光场更加利于分子取向,能够有效提高分子取向度.这种脉冲上升沿变化导致的取向增强有助于进一步分析复合场的取向机制,并且改变整形参数、电场强度和分子转动温度,可以进一步提高分子取向度.     

光学相干控制中光束相位畸变的诊断与优化

阐述了超短激光光束位相差对相干控制光电流注入的控制作用,发展了一种诊断光束波阵面位相畸变的方案.通过控制基频光、倍频光在全光孔径干涉光场内的等相面保持一致的实验处理方法,制作了一套相位差稳定自动控制系统,并应用于光学相干控制光电流实验中,获得较好的实时控制效果.模块化封装后的相位差稳定自动控制系统能使相干控制实验中控制激光脉冲的相位差在全光口径内保持一致.     

基于光电流模型的液体介质太赫兹辐射的理论研究

目的 超快激光作用液体介质相较于与气态、固态介质可产生更高能量的太赫兹波,相关研究工作在实验方 面已相对完善,而理论方面缺少完整解释过程,运用逐步建立瞬态光电流模型的进程详尽论述其物理机制,并通过 此模型研究水、丙酮等 4 种溶液在不同参数条件下对太赫兹的转化效率。 方法 以水分子为例,在传统光电流模型 的基础上,基于其电离原理构建三能级系统,通过水分子电离势确定电离弛豫时间,并联立分子驰豫时间与三阶非 线性极化率来确定水分子电离率及电流强度,进而构建完整的液态溶液瞬态光电流模型,并运用该模型在两束 800 nm 高斯光场下,研究了在水与丙酮等 4 种液体中不同激光参数对太赫兹辐射能量的影响。 结果 电场强度越强,导 致的分子电离率越高,对应的太赫兹转换效率也越高,并且在特定的激光强度下,最强太赫兹辐射能量对应一个最 佳脉宽及脉冲延迟,处于亚皮秒量级,此外,进一步对比了水和丙酮溶液中,太赫兹辐射的能量差异和时频谱特征, 结果表明丙酮辐射产率始终最高。 结论 在液体介质中,太赫兹辐射的能量受介质电离势、吸收系数、分子密度等多 方面影响,这也同样说明和验证了丙酮综合性能参数优于水、重水和乙醇。 利用光电流模型研究不同液态中太赫 兹辐射的强度,为理解相关更多液态介质的辐射情况以及实验提供了参考。     

二束脉冲激光提高CO2分子取向的温度效应

借助于分子刚性转子模型,利用数值方法求解了CO2分子在二束脉冲激光作用下的薛定谔方程,计算了CO2分子在总强度I=1.0×1014W/cm2固定激光脉冲作用下分子取向的变化行为。研究结果表明,在不同温度下当激光总强度固定时,将一束激光脉冲分成具有同样脉冲宽度的二束脉冲,当强度比为1/3时,都可以极大地提高CO2分子的取向程度;在不同温度下,通过调整第2束脉冲宽度,可以进一步提高CO2分子的取向程度。以上结果对实验中在不同温度下提高分子取向具有指导意义。     

飞秒激光脉冲的测量与诊断

报道一种高精度的测量矩飞秒激光脉冲宽度的装置和方法。它是通过计算机精确控制压电陶瓷（PIZ）的伸缩,扫描得到飞秒激光脉冲强度的共线相干自相关曲线,以此分析得到超短激光脉冲特性和宽度的方法。它亦可以用于飞秒激光光谱实验研究。     

基于类共振增强的分子结构成像

阈上电离是强激光场与原子分子相互作用的基本现象之一。由于电离光电子携带了分子的信息,因此可以利用阈上电离对分子结构成像。类共振增强现象是一种新奇的高阶阈上电离现象,其对分子结构十分敏感,文章提出了一种利用类共振增强现象来提取分子结构信息的方法。基本思路是:首先得到类共振增强对应光强下,固定取向的分子以及对应的伴随原子的光电子能谱;其次将分子与原子能谱进行对比从而得到类共振增强区域的干涉结构,进而提取出分子的结构信息。利用S矩阵方法对上述方案进行了理论验证。计算了不同分子取向下N2以及其伴随原子Ar的高阶阈上电离能谱。分子与其伴随原子间的电离率比值在类共振增强区域会出现周期性的干涉结构,从而能够提取到分子的结构信息。     

多次返回碰撞轨道对原子高阶阈上电离的贡献

在超短强激光场与原子分子相互作用过程中,阈上电离光电子能谱的高能平台结构(高阶阈上电离)是一个很重要的现象。基于绝热近似理论,人们发现这一现象是电离电子与离子核的背向散射导致的,不考虑离子与电子之间库仑势的情况下主要来源于第一次返回轨道的贡献。本文在半经典再散射模型下,在整个电离过程中都考虑了离子核对电子的库仑吸引作用,对氢原子的阈上电离进行研究,发现多次返回碰撞轨道也对电子的高能平台结构有很重要的贡献。     

高极化自旋体系纵向弛豫时间的测量

在高极化自旋体系中由于强辐射阻尼效应的影响,常规的纵向弛豫时间(T1)测量方法不再适用或需修改.本文提出了高极化自旋体系T1的分子间多量子相干测量方法.通过相干脉冲梯度场抑制演化期的辐射阻尼效应,利用分子间多量子相干信号的性质消除检测期的辐射阻尼效应,在绝对值谱模式下对谱峰峰高拟合,准确计算出T1.在此基础上,分析和比较了分子间多量子相干法与饱和恢复法对辐射阻尼效应的抑制作用.实验结果表明,分子间多量子相干方法能有效地抑制辐射阻尼效应,准确测量高极化自旋体系纵向弛豫时间.     

使用飞秒脉冲在熔融石英中进行的三维光数据体存储

通过啁啾脉冲放大技术,产生出脉冲宽度为200fs,波长为800nm的超短脉冲激光束,将这种激光脉冲紧聚焦到融熔石英体中,在聚焦点附近通过雪崩电离和多光子电离产生高密度的等离子体,并使等离子体吸收大量的激光能量,在局部产生微爆炸,形成微小的空腔,从而在融熔石英体中记录下三维数据.实验记录了20层存储数据,使存储密度达到3.75×1010bit/cm3.     

量子存储保护及快信号调控诱导绝热性(英文)

任何量子存储和信息处理器时时刻刻都受困于外界环境的干扰或因为其他系统关联而引起的量子态外泄.为了应对这些问题,人们提出了多种量子调控方案.这其中一大类方案由快信号调制或者基于激光脉冲序列的动力学解耦构成,旨在压制量子存储器件的退相干,并且阻止系统状态的外泄或扩散.本文回顾了一些应用此类量子调控方案的工作.人们可以保护处于非马尔可夫耗散噪声中的量子存储器件;或者在免于外泄的前提下,控制系统以进行绝热演化.通过分析各类动力学方程,包括二阶微扰主方程、基于非微扰论的量子态扩散方程、以及由PQ分解得到的单变量主方程,发现快速信号调制的效果与所施加脉冲序列的形态关系微弱.脉冲序列只需能够有效地将系统本征频率调至高于环境截断频率,系统量子态退相干就可以再被压制住.量子调控的效果其实与调控脉冲序列的具体细节无关.人们可以使用任何形态的激光,包括理想脉冲、矩形波脉冲、随机脉冲,甚至噪声型脉冲.     

利用飞秒激光脉冲整形进行太赫兹波整形

产生太赫兹的一般方法是用超短激光脉冲照射光导天线或半导体材料,产生的太赫兹脉冲形状一般比较复杂.如果要将太赫兹辐射应用于通讯,或者分子反应动力学过程的相关控制,需要能够产生任意形状的太赫兹脉冲.介绍了利用激光脉冲整形对太赫兹波整形的原理和实验研究进展,通过对激发太赫兹辐射的飞秒激光脉冲整形,可以实现对太赫兹波形的控制.控制激励脉冲序列的脉冲间隔可以改变太赫兹脉冲系列的相位关系,调制激光脉冲强度可以产生相应的二进制太赫兹脉冲编码,用周期可变的相位掩模板对飞秒激光脉冲整形实现可调谐窄带太赫兹辐射.