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前沿颠覆性技术之阿秒脉冲激光技术

来源:大柳树防务

  发布:Johnny

关键词:阿秒脉冲激光 超快激光

2018-11-12

  2017年11月,苏黎世联邦理工学院(ETH)宣布成功地将X射线激光器的脉冲持续时间缩短到43阿秒,创造了激光脉冲持续时间最短的世界纪录。

阿秒脉冲激光是指持续时间为阿秒量级(1×10-18 秒)的超短激光脉冲。电子围绕原子核运动的时间尺度为阿秒量级,研究这种决定物质特性的电子动力学过程,需要由阿秒脉冲激光技术来实现。2016年,德国马普光学研究所首次观测到阿秒量级内固体材料中激光诱导电子的动力学过程,并通过模拟证明了通过控制激光光场来解决电子材料发热问题的可行性。

           

 图1 不同运动过程的时间尺度

阿秒脉冲激光的出现被认为是激光科学历史上最重要的里程碑之一,应用前景难以估量,目前已经成为物理、化学、生物等众多领域重要的研究手段,成功用于测量和控制内壳层束缚电子运动等过程,将人们研究物质结构的视野从分子拓展到原子内部。阿秒脉冲激光技术的发展,引发了X射线、自由电子激光、可控高温超导、超高分辨成像、电子信息处理等领域科学与技术层面研究的诸多重大突破。鉴于其巨大的潜在应用价值,美国、欧洲、日本等将阿秒激光技术列为未来10年激光科学发展最重要的发展方向之一。
 

一  形成原理

目前阿秒脉冲激光主要是由飞秒(10-15秒)激光(也称超快超强激光)作用于惰性气体而产生的高次谐波所形成的。产生的过程为:在飞秒脉冲激光的激发下,惰性气体元素的电子以隧穿电离的方式离开母核并在强激光场中被加速,最后在激光电场反向时,以一定的几率概率与母核碰撞,从而将从激光场获得的能量以X射线光子的形式辐射出来。所辐射的X射线是入射激光脉冲的高次谐波,它继承了入射激光脉冲的光学性质,发散角很小,具有很好的相干性和空间相干性。

图2 利用高次谐波产生阿秒脉冲激光过程示意图

 

二  发展现状

脉宽纪录不断被刷新。2001年,由当时在奥地利维也纳技术大学的费伦茨·克劳兹教授领导的国际研究小组利用上述原理首次获得脉宽650阿秒激光;2006年,美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的亚历山大和威廉等人利用级联自由电子激光器产生的飞秒激光脉冲激发惰性气体,产生了脉宽为100阿秒超短激光脉冲;2012年,美国中佛罗里达大学赵昆等人使用双偏振门控方法,将飞秒激光脉冲激发氖气形成高次谐波,获得了67阿秒的超短激光脉冲;2017年,瑞士苏黎世联邦理工学院托马斯·高姆尼茨(Thomas Gaumnitz)进一步将脉冲时间缩短到43阿秒。

阿秒激光诱导电子振荡技术获得突破。2013年,德国马普光学研究所阿秒物理实验室发现,超高峰值功率的超短激光脉冲可以改变绝缘材料电特性,在绝缘体中引发超快振荡的电场和电流,电场和电流的振荡与入射激光的“开”与“关”直接相关,进而说明绝缘体导电性的转换是在阿秒级时间内完成的,该实验证明材料的基本导电特性能够以光场的振荡速度来增加或减小。

人工控制电子技术取得重大进展。上述现象的发现为研制处理频率达拍赫兹(1015赫兹)量级的电子开关器件奠定了基础,这个频率是当前的电子开关处理频率的数万倍。2016年,马普光学研究所联合美国佐治亚州立大学、日本筑波大学等组成国际研究团队,将只包含一个强振荡脉冲的激光作用于二氧化硅固体材料(脉宽时间内电子只能向左和向右振荡一次),然后使用脉宽短于100阿秒的光学手段测量驱动光场的空间电场结构,从而首次实现对固体材料中电子动力学过程的探测。研究发现:电子在经历几十个阿秒之后与入射激光场的相互作用,这个过程的延迟时间决定了激光场与材料之间交换的能量。模拟计算表明,通过调整光场的振幅可以优化激光与材料之间交换的能量,从而证明了通过控制激光脉冲优化超快信号处理过程中的能量交换,使电子器件的发热量达到最低的理论可行性。
 

 

三 应用前景与影响

 

        阿秒脉冲激光技术打开了一扇通往研究电子的极端超快运动过程的大门。

对生化反应实现量子相干控制。量子相干控制的基本思想是:脉冲宽度足够短,入射光与原子相互作用极快,不会受到外界环境的影响,这样,就可以通过改变激光脉冲,控制反应按照特定的方式进行,得到预期的效果。在生物、化学反应中,分子角动量起到非常重要的作用。但分子角动量的空间分布是随机的,控制角动量极具挑战。脉冲宽度为飞秒至阿秒量级的超快激光,可对生化反应过程进行全面控制,从而得到预期的结果。比如在生命科学中,阿秒脉冲激光将最终从根本上(电子运动方式的层面)帮助人们弄清楚疾病产生的微观起因、形成和发展。

可大幅提升电子器件运行速度。现代电子学无论在时间还是空间上都在朝着原子量级推进,这就意味着有有望在原子尺度内制作电路,并通过控制光电场开关电流。阿秒脉冲激光技术为研制拍赫兹的超高频电子器件开辟了道路,可将电子器件的运行速度提高几个数量级且有望解决电子器件发热严重的问题,可能成为新一轮电子信息技术革命的推动力。

有望助力能源革命。在能源领域,可利用阿秒脉冲激光研究新材料中的电子和空穴对之间的电荷转移机制,控制电子的转移过程,推进超导技术研究,提升人工光合作用和太阳能电池的效率。