分子体系在等离子增强激光场中的高次谐波研究(2)
图1-1 超快激光脉冲脉宽逐步压缩的发展历程[1]
激光器发明后不久的1962年，在调Q技术的帮助下人们获得了兆瓦、纳秒量级的激光输出；1964年，利用主动锁模技术，人们获得了吉瓦、脉冲宽度仅为皮秒量级的激光输出；染料激光器出现于二十世纪八十年代，它的出现使得激光的脉冲宽度推进到了飞秒量级；从上世纪八十年代后期开始，以钛宝石晶体为代表的一系列性能出众的固体激光材料不断被科研人员研制成功，钛宝石晶体也成为了到目前为止最理想的飞秒激光增益介质。1985年，对激光发展产生重要影响的惆啾脉冲放大技术（chirped pulse amplification，简称CPA）由Mourou等人首次提出[2]。伴随一系列新型激光介质和新技术的出现发明，如克尔透镜锁模(KLM)、孤子锁模等技术，从高储能介质中得到高强度的飞秒激光脉冲成为可能。
图1-2 超快激光脉冲电场峰值功率逐步增强的发展历程[1]
利用飞秒激光，进行微观物质强场物理的非线性研究以及观察和研究分子内原子的运动已经成为可能[3]。但是飞秒激光在研究物理、化学和生物中更加快速的现象以及分析各种原子、分子介质中内层电子的运动过程时变得无能为力。人们需要更高分辨能力的工具——阿秒激光脉冲[3]（图1-3）来解决困难。如果可以进一步拓宽超快过程的测量范围，将为很多科学研究和实际生活中的应用产生极其重大的影响，贡献不可替代的价值。受限于可见光和红外光区的激光器所能提供的宽带带宽，利用已有的技术无法获得更短的阿秒脉冲输出。在这种背景下，在激光科学研究中，如何获得新的、更短波长的相干光源成为了一个重要的课题。
图1-3 空间尺度、时间尺度以及对应的微观结构和动力学[3]
1987年高次谐波的发现[4,35]为阿秒激光的研究带来了一种新的思路，使得阿秒激光的相关研究充满活力。到目前为止，人们获得单个超短阿秒脉冲或者超短阿秒脉冲序列时最常想到的思路便是利用高次谐波产生阿秒脉冲。强场高次谐波的辐射谱拥有独特的优点。其辐射谱拥有一个平台区域并且在平台区的谐波是有规律的等频率间隔分布的。这种优点使得强场高次谐波成为获得单个阿秒脉冲和阿秒脉冲序列最有效的方法[5]。如果能够获得阿秒脉冲，就意着人类掌握了一种超短的时间探针。凭借这种探针，人类能够测量各种原子、分子介质中内层电子的运动过程，例如多原子分子中的电荷跃迁、最外层电子云的无规则运动等。这为在时域上对物理、化学和生物学的一些基本过程的研究提供了可能[6]。另外，阿秒脉冲在研究物质不同能态之间的跃迁过程中也有重要的应用。研究物质能态跃迁时，在泵浦脉冲激发之后，一个经过延迟的阿秒探针脉冲能够实现对原子、分子和凝聚态物质中发生的动力学过程的快速拍照[7]。
一方面，深入的研究高次谐波有利于加快超快激光技术和在时间和空间上需要更高分辨率的超快微观领域的研究进程。同时，波长短、相干性高的特点使得高次谐波被广泛的应用于分子原子光谱、干涉和全息以及非线性光学等领域[8]。具体举例来说，通过高次谐波能够获得持续时间短并且相干的XUV和X射线源，并研究活的生物细胞和亚细胞结构的显微成像方面获得应用，还能用于识别元素在样品中的定量分布等等。
此外，专注于高次谐波自身的相关研究也为强场物理实验和理论上的迅速发展做出了重要的贡献。利用激光器我们已经能够获得远远超过原子内库伦场强度的电场。在激光器所能输出的最高电场强度作用的极端物理条件下，会出现各种强场效应和现象，例如高次谐波辐射、阈上电离、电离抑制和库伦爆炸等。这些新的现象为各个相关领域的注入了新的活力，开拓了许多之前没有的边缘学科的相关探索。其中，高次谐波的出现揭开了两个全新研究领域的面纱。这两个领域分别是XUV范围内的多光子过程和阿秒物理[8]。无论是实验上还是理论方面对高次谐波产生的持续深入研究，都将是对目前强场物理理论合理性与适用性的不断检验，并且也会使人们逐步深入探寻和认识强场物理的本质。可以说，高次谐波是强场物理中极为活跃，也是十分重要的一个研究领域 [3,8]。
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