基于光場相干合成技術(shù)的亞周期脈沖產(chǎn)生

文章來源：中國物理學(xué)會期刊網(wǎng) 原文作者：楊煜東 魏志義

強(qiáng)場亞周期光脈沖的產(chǎn)生是未來激光光源發(fā)展所追求的先進(jìn)內(nèi)容之一。

01引 言

對物質(zhì)中的超快動力學(xué)和瞬態(tài)物理現(xiàn)象的研究，是當(dāng)今前沿科學(xué)研究的一個(gè)主要課題，也是人們掌握自然規(guī)律、取得新科學(xué)突破的重要途徑之一。超快激光則是人們對物質(zhì)中的超快動力學(xué)過程以極高的時(shí)間分辨率進(jìn)行研究的強(qiáng)有力工具。另外，由于超短激光脈沖持續(xù)時(shí)間極短，因而可以較為輕易地提供極高的光場強(qiáng)度和峰值功率，為科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供極端的平臺。隨著鎖模技術(shù)[1，2]的出現(xiàn)和發(fā)展，超快激光于20世紀(jì)80年代進(jìn)入了飛秒激光時(shí)代，特別是摻鈦藍(lán)寶石激光晶體[3，4]的引入，更是將激光脈寬縮短到了5 fs[5]，成為持續(xù)時(shí)間只有幾個(gè)光周期的少周期超快脈沖。少周期脈沖有諸多與幾十飛秒或更長脈寬的脈沖不同的特性，其中最顯著的便是載波包絡(luò)相位(CEP)的重要性[6]。載波包絡(luò)相位指的是光脈沖包絡(luò)與脈沖載波的相位差。對于少周期脈沖，不同CEP將顯著地改變脈沖包絡(luò)下的電場，影響光電場與物質(zhì)的相互作用過程。

如果進(jìn)一步縮短激光脈沖，直至小于脈沖載波的單個(gè)光學(xué)振蕩周期，這時(shí)激光脈沖變成亞周期脈沖。亞周期光脈沖的產(chǎn)生，一方面突破激光脈沖時(shí)域?qū)挾刃∮趩蝹€(gè)光學(xué)振蕩周期的技術(shù)瓶頸，具有里程碑式的技術(shù)重要性;另一方面，亞周期光脈沖有著巨大的實(shí)際科研應(yīng)用價(jià)值，將打開通向新的光與物質(zhì)相互作用研究的通道。如今，強(qiáng)場超快激光脈沖的一個(gè)重要用途是作為驅(qū)動光，通過高次諧波過程產(chǎn)生極紫外或更短波長的阿秒相干輻射[7—9]。以目前應(yīng)用最多的，也是機(jī)理最清晰的氣體高次諧波為例，當(dāng)惰性氣體與強(qiáng)場激光相互作用時(shí)，每個(gè)激光周期伴隨產(chǎn)生兩個(gè)阿秒脈沖。使用長激光脈沖進(jìn)行高次諧波產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們會得到阿秒脈沖串。為了獲得實(shí)驗(yàn)上更加實(shí)用的孤立阿秒脈沖，人們需要借助各種選通方法[6]對產(chǎn)生后的極紫外相干輻射進(jìn)行濾波，或是對驅(qū)動激光脈沖進(jìn)行整形。如果改用亞周期光脈沖驅(qū)動高次諧波產(chǎn)生，那么每個(gè)激光脈沖產(chǎn)生的阿秒激光將被局限到一個(gè)脈沖，實(shí)現(xiàn)孤立阿秒脈沖的直接產(chǎn)生。不僅如此，通過對亞周期光脈沖光譜相位的控制，可使其電場波形偏離傳統(tǒng)的正弦振蕩模式。這也意味著可將射頻波段上對電場的控制能力擴(kuò)展到光頻波段，實(shí)現(xiàn)對光電場形狀的直接控制，催生專注于研究任意波形光電場與物質(zhì)非線性相互作用的“波形非線性光學(xué)”[10]。氣體高次諧波產(chǎn)生的三步模型[7—9]指出，激光場將首先使氣體原子發(fā)生隧穿電離，釋放出的光電子在電場的作用下運(yùn)動，加速后的光電子最終與母體離子復(fù)合，使原子回到初始的量子態(tài)，多余的能量則以高能光子的形式釋放，是為高次諧波。由此可見，亞周期脈沖的任意波形光電場能精確控制隧穿電離過程及自由態(tài)電子的運(yùn)動軌道，影響高次諧波輻射的性質(zhì)。相比正弦振蕩電場，利用具有“最優(yōu)”波形[11—13]的光電場，可取得更高的高次諧波光通量或更高的截止區(qū)光子能量。同時(shí)，亞周期脈沖的任意波形光電場還可用于實(shí)現(xiàn)阿秒脈沖的可調(diào)諧產(chǎn)生[14]，豐富采用單一阿秒光源上覆蓋的實(shí)驗(yàn)種類，拓展阿秒光源的可用性。

另外，在與原子分子相互作用時(shí)，亞周期光脈沖的任意波形光電場可以將電離過程局限到亞飛秒時(shí)間尺度，以前所未有的時(shí)間精度激發(fā)價(jià)帶電子波包[15，16]。當(dāng)亞周期光脈沖照射到納米金屬結(jié)構(gòu)上時(shí)，將產(chǎn)生局域到納米尺度的阿秒電子波包，實(shí)現(xiàn)新型時(shí)間分辨電子顯微鏡和電子衍射成像[17—19]。亞周期光脈沖的另一個(gè)應(yīng)用是控制半導(dǎo)體和絕緣體內(nèi)的瞬時(shí)電流，讓材料在半導(dǎo)體和金屬之間在光學(xué)周期時(shí)間尺度來回轉(zhuǎn)換，在電子元件中實(shí)現(xiàn)接近拍赫茲的超高頻率電流開關(guān)[20，21]。一旦亞周期光脈沖的脈沖能量被大幅度提高，強(qiáng)場亞周期光脈沖將有希望在激光尾場電子加速方面發(fā)揮重要作用[22—24]。得益于亞周期光脈沖的任意波形光電場，類比高次諧波的情況，可以尋找適用于激光尾場電子加速的“最優(yōu)”波形。

鑒于亞周期光脈沖的巨大科研價(jià)值，人們?yōu)閷?shí)現(xiàn)亞周期光脈沖付出了諸多努力。除了使用激光器直接產(chǎn)生少周期脈沖，還利用其他諸如脈沖的非線性展寬和壓縮、光學(xué)參量放大等非線性光學(xué)手段產(chǎn)生了少周期光脈沖。經(jīng)過多年的優(yōu)化， 已經(jīng)逼近了這些少周期脈沖產(chǎn)生方法的極限，但是這些方法的最優(yōu)化輸出仍局限于少周期脈沖。為了構(gòu)造亞周期光脈沖所需的超寬帶光譜，將多個(gè)中心波長不同的少周期超短脈沖進(jìn)行合并的光場相干合成技術(shù)得到了人們的青睞。在實(shí)驗(yàn)上，通過光場相干合成輸出亞周期光脈沖仍有不小的技術(shù)難度，而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)場亞周期光脈沖的產(chǎn)生則更是一項(xiàng)復(fù)雜艱巨的技術(shù)挑戰(zhàn)，本文將綜述介紹利用光場相干合成技術(shù)產(chǎn)生亞周期光脈沖的研究進(jìn)展。

02基于光場相干合成技術(shù)的亞周期脈沖產(chǎn)生

2.1 光場相干合成中的關(guān)鍵參數(shù)

亞周期光脈沖在時(shí)域上持續(xù)時(shí)間極短，根據(jù)傅里葉變換原理，它對應(yīng)著具有極大帶寬的光譜。要構(gòu)造具有如此巨大帶寬的光譜，一種行之有效的方法是將多個(gè)中心波長不同的少周期超短脈沖進(jìn)行相干合成[25]。為了得到亞周期光脈沖，必須對超寬帶光譜和少周期脈沖的參數(shù)進(jìn)行管理控制。下面將結(jié)合圖1介紹光波相干合成中需要格外關(guān)注的兩個(gè)參數(shù)：載波包絡(luò)相位(CEP)、少周期脈沖之間的相對相位。在最理想的情形下，如圖1(a)所示，用以合成的少周期脈沖均為傅里葉變換極限脈沖，CEP均為0，而且脈沖之間相對相位同樣為0。這時(shí)，相干合成的光脈沖具有最短的脈寬。

圖1 載波包絡(luò)相位、少周期脈沖之間的相對相位對合成光場的影響 (a)理想情形;(b)低頻脈沖的 CEP 改變 π/2;(c)低頻脈沖的相對相位改變 π/2;(d)低頻脈沖的 CEP 和延時(shí)均發(fā)生改變[25]

我們知道，穩(wěn)定控制少周期脈沖的CEP在少周期脈沖應(yīng)用中至關(guān)重要。那么，在光波相干合成中CEP穩(wěn)定控制是否重要呢?如圖1(b)所示，將一個(gè)脈沖的CEP改變π/2，使時(shí)間原點(diǎn)處的電場為零，這導(dǎo)致合成脈沖發(fā)生了顯著的變化。也就是說，為了獲得穩(wěn)定的相干合成光脈沖，用以合成的子脈沖必須具有穩(wěn)定可控的CEP。

另一方面，鎖定單個(gè)脈沖的CEP并不足以保證優(yōu)質(zhì)的相干合成光脈沖。如圖1(c)所示，當(dāng)保持兩個(gè)脈沖的CEP不變，而脈沖之間的相對相位改變π/2，同樣改變了合成脈沖的波形，使其顯著偏離了圖1(a)中的脈沖形狀。在圖1(d)中，同時(shí)改變脈沖的CEP和脈沖之間的延時(shí)，使兩個(gè)脈沖的電場在時(shí)間原點(diǎn)處均為最大值。這種情況下，合成脈沖與圖1(a)中的最優(yōu)脈沖非常相似。由此可見，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可控的光場相干合成，單路脈沖的CEP和脈沖之間的相對相位都必須得到精確控制[26]。

2.2 光場相干合成光源的研究進(jìn)展

在利用光場相干合成的實(shí)踐中，人們根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖褂妙l率梳[27]或者連續(xù)譜光源。當(dāng)實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖谦@取超短脈沖時(shí)，連續(xù)譜光源將被用于相干合成。在早期實(shí)踐中，人們嘗試合成兩個(gè)光纖激光器的輸出。Krauss等[28]基于摻鉺光纖技術(shù)，通過光場相干合成獲得了4.3 fs的單周期光脈沖。在實(shí)驗(yàn)裝置中，他們采用了一臺摻鉺光纖激光振蕩器作為相干合成光源的種子光。種子光被分為兩路，分別在兩個(gè)摻鉺光纖激光放大器(erbiumdoped fiber amplifier，EDFA)中放大到約8.2 nJ的單脈沖能量，并通過硅棱鏡脈沖壓縮器進(jìn)行壓縮。放大后的脈沖經(jīng)過兩個(gè)不同的高非線性光纖(highly nonlinear fibers，HNLF)進(jìn)行光譜展寬，獲得了中心波長分別為1125 nm和1770 nm的寬帶光譜和寬帶光孤子。展寬后的兩路脈沖由對應(yīng)的脈沖壓縮器分別壓縮到7.8 fs和31 fs。此光場相干合成光源的特點(diǎn)是兩個(gè)合成光通道之間的被動相對時(shí)間抖動均方差小于50 as，因而無需使用主動反饋系統(tǒng)穩(wěn)定光路，降低了實(shí)驗(yàn)難度。由于此方法產(chǎn)生的超短脈沖能量較低，人們需要繼續(xù)尋找可產(chǎn)生適合強(qiáng)場光物理研究應(yīng)用的高能量亞周期光脈沖。

通過光場相干合成技術(shù)獲得亞周期光脈沖的另一種思路是，將預(yù)先產(chǎn)生的超寬帶光譜分割為若干個(gè)相對窄帶的子光譜，對窄帶子光譜分別進(jìn)行壓縮后，再把各個(gè)子脈沖合成為一個(gè)亞周期光脈沖。為保證足夠的脈沖能量以滿足強(qiáng)場光物理研究的需求，人們一般采用充惰性氣體的空芯光纖來產(chǎn)生能量足夠的初始超寬帶光譜。

圖2 基于空芯光纖的光場相干合成光源[29]

此類型相干合成中最具代表性的工作是由德國馬普學(xué)會量子光學(xué)研究所Wirth等[29]報(bào)道的，其原理結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，他們采用摻鈦藍(lán)寶石激光放大器作為總光源。將脈寬25 fs、脈沖能量0.8 mJ、中心波長780 nm的激光脈沖聚焦進(jìn)入1.1 m長、0.25 mm內(nèi)徑的空芯光纖。當(dāng)在空芯光纖中充有3到4個(gè)大氣壓的氖氣時(shí)，激光脈沖注入后由于自相位調(diào)制和其他一系列非線性效應(yīng)，激光脈沖的光譜將得到展寬。在空芯光纖的輸出端，大于0.5 mJ的脈沖覆蓋了從260 nm到1100 nm的光譜范圍。激光脈沖的載波包絡(luò)相位由主動反饋系統(tǒng)鎖定。空芯光纖輸出的光譜被分割為3個(gè)子光譜，分別覆蓋700—1100 nm(近紅外)、500—700 nm(可見)和350—500 nm(可見—紫外)。3個(gè)光通道分別由覆蓋各自光譜范圍的啁啾鏡進(jìn)行壓縮，輸出脈寬分別為7.9 fs(近紅外)、5.5 fs(可見)和5.5 fs(可見—紫外)，非常接近各自光譜對應(yīng)的傅里葉變換極限脈寬。相干合成后的脈沖能量為0.3mJ，3個(gè)光譜范圍的脈沖能量分別為0.25 mJ(近紅外)、36 μJ(可見)和14 μJ(可見—紫外)。當(dāng)相干合成的各相位參數(shù)設(shè)置恰當(dāng)，合成獲得了脈寬為2.1 fs的亞周期光脈沖。他們將這個(gè)光源應(yīng)用于阿秒脈沖的產(chǎn)生，獲得了孤立阿秒脈沖。為了進(jìn)一步縮短脈沖寬度，Hassan等[30]在前述成果的基礎(chǔ)上，繼續(xù)擴(kuò)展光譜寬度，將260—350 nm的光譜范圍納入到相干合成的范圍中。為了獲得更短的脈沖，光譜范圍內(nèi)的各頻率成分應(yīng)當(dāng)盡量具有相近的振幅。由于紫外區(qū)間的光譜產(chǎn)生效率極低，為平衡各頻率成分，必須通過濾光片降低光譜長波端的強(qiáng)度以匹配紫外端的光譜強(qiáng)度，這導(dǎo)致可實(shí)際應(yīng)用的脈沖能量較低。

圖3 基于同一 OPA 信號光和閑頻光的光場相干合成光源[31]

光參量(啁啾)脈沖放大技術(shù)[31，32](optical parametric (chirped pulse) amplification，OP(CP)A)由于具有光譜可調(diào)諧范圍廣、單程增益高、無熱沉積等特點(diǎn)，并可有效避免基于受激輻射過程中的光譜窄化效應(yīng)和由于自發(fā)輻射的放大積累導(dǎo)致的輸出脈沖對比度降低，是開展光場相干合成的另外一種優(yōu)異技術(shù)手段。將OP(CP)A應(yīng)用到光場相干合成中，通過脈沖能量進(jìn)行放大，可賦予光場相干合成技術(shù)更高的脈沖能量和平均功率。OP(CP)A中的信號光與閑頻光具有天然的時(shí)間同步性，如果將兩者合并，便可獲得一個(gè)具有更寬光譜的脈沖。Liang等人[33]從一個(gè)輸出波長2.1 μm的OPCPA開始，搭建了一個(gè)中紅外OPA(圖3)，此OPA輸出2.5—4.4 μm的信號光和4.4—9.0 μm的閑頻光，兩者的脈沖寬度分別為20 fs和31 fs，而脈沖能量則分別為21 μJ和12 μJ，共33 μJ。由于中紅外OPA的泵浦光和信號光來自同一個(gè)光源，于是閑頻光具有穩(wěn)定的CEP。作為泵浦光源的2.1 μm OPCPA的種子光也是通過差頻產(chǎn)生因而具有穩(wěn)定的CEP，也保證了信號光的CEP穩(wěn)定。通過將信號光和閑頻光合并，可以獲得12.4 fs的脈沖寬度，對應(yīng)了合成光譜中心波長4.2 μm光學(xué)周期的88%，是一個(gè)亞周期光脈沖。由于信號光與閑頻光來自同一個(gè)OPA，光譜范圍和脈沖能量都受限制。

圖4 基于多個(gè)不同 OPA 的光場相干合成光源[34]

前面方案中的信號光與閑頻光來自同一個(gè)OPA，其光譜范圍和脈沖能量都受限制。與之相反，如果將多個(gè)覆蓋不同光譜范圍的OPA作為相干合成光源的子光源，會使相干合成光源有更高的靈活性。Manzoni等[34]搭建了一套由兩個(gè)不同OPA構(gòu)成的光場相干合成光源，如圖4所示。他們首先使用一小部分激光脈沖搭建一個(gè)紅外OPA，為后續(xù)構(gòu)成光場相干合成光源的OPA提供CEP穩(wěn)定的種子光。由這個(gè)500—1000 nm的種子光開始，兩個(gè)OPA分別放大其中的一部分光譜，輸出光譜為520—700 nm和650—1000 nm的脈沖，脈沖能量均為1—2 μJ。最終獲得脈寬為3.8 fs，對應(yīng)約1.5個(gè)光學(xué)周期的超快脈沖。

圖5 可輸出毫焦量級強(qiáng)場亞周期光脈沖的光場相干合成光源[35]

前述結(jié)果中的脈沖能量都比較低，為滿足強(qiáng)場物理實(shí)驗(yàn)的需求，必須克服技術(shù)挑戰(zhàn)，產(chǎn)生毫焦量級的亞周期脈沖。產(chǎn)生毫焦量級的光脈沖，需要搭建多級OPA對寬帶的脈沖進(jìn)行充分地放大，并處理由此帶來的更加困難的群速度色散管理。為此，Rossi及楊煜東等人[35]沿用此思路，搭建了一套可輸出毫焦量級脈沖的相干合成光源，光路結(jié)構(gòu)如圖5所示。該光源由低溫冷卻的摻鈦藍(lán)寶石激光放大器驅(qū)動，一小部分激光能量用以搭建一個(gè)CEP穩(wěn)定的前端種子源，CEP穩(wěn)定通過差頻過程實(shí)現(xiàn)。光場相干合成光源的兩個(gè)子通道分別為覆蓋0.65—1 μm和1.2—2.2 μm的兩個(gè)包含3級放大的OPA系統(tǒng)，分別稱為近紅外通道和紅外通道。而圖5中呈半透明的可見光通道會在將來搭建，以進(jìn)一步增加光場相干合成的帶寬。在這兩個(gè)OPA系統(tǒng)中，脈沖能量被放大到了150 μJ和600 μJ，脈寬分別為6.0 fs和7.9 fs，均接近各自的傅里葉變換極限。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的光場相干合成，這里將兩個(gè)子通道的相對相位以及合成脈沖的CEP作為反饋環(huán)路的參數(shù)，其中CEP信號反饋到CEP穩(wěn)定的前端種子源中，相對相位信號則反饋到位于長波OPA最后一個(gè)放大級的非線性晶體之前的泵浦光路中。將兩路光合束后，可獲得脈寬為3.5 fs的脈沖，對應(yīng)了0.6個(gè)1.6 μm波長的光學(xué)周期。利用此方案，最終產(chǎn)生了脈沖能量為毫焦量級的亞周期光脈沖。進(jìn)一步他們將該脈沖用于阿秒脈沖產(chǎn)生，直接獲得了孤立阿秒脈沖。同時(shí)利用對相干合成參數(shù)的控制，實(shí)現(xiàn)了對脈沖電場波形的調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了阿秒脈沖的可調(diào)諧產(chǎn)生[14]，演示了利用光電場對強(qiáng)場物理過程的調(diào)控。

事實(shí)上，之前提及的相干合成方法均可歸類為并聯(lián)相干合成方案[25]，如圖6所示，此外人們還對相干合成的其他可能技術(shù)路線進(jìn)行了探索，并提出了其他類型的相干合成方案。

圖6 并聯(lián)相干合成方案示意圖(其中，AMP：幅度調(diào)制;PM：相位調(diào)制;DL：延遲線)[25]

首先，與并聯(lián)相干合成方案相對應(yīng)的是串聯(lián)相干合成方案[25]，如圖7所示。有別于并聯(lián)相干合成方案把一個(gè)寬帶的光譜分割為若干個(gè)子光譜進(jìn)行處理，串聯(lián)相干合成方案不對光譜進(jìn)行分割，規(guī)避了并聯(lián)相干合成方案中對于時(shí)間(相位)抖動控制的嚴(yán)格要求。光場串聯(lián)相干合成方案中的單個(gè)幅度調(diào)制單元只會對整個(gè)光譜中的一部分進(jìn)行調(diào)制(一般是放大)，若干個(gè)幅度調(diào)制單元結(jié)合最終實(shí)現(xiàn)對整個(gè)光譜的調(diào)制。同時(shí)，這也是串聯(lián)相干合成方案的技術(shù)難點(diǎn)，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中帶寬最小的光學(xué)元件決定了系統(tǒng)允許的最大帶寬，這導(dǎo)致它能實(shí)現(xiàn)的帶寬小于并聯(lián)合成方案所能達(dá)到的帶寬。同時(shí)，由于整個(gè)光譜經(jīng)過了光學(xué)系統(tǒng)的所有元器件，導(dǎo)致群速度色散控制需要考慮到整個(gè)帶寬。Harth等人[36]以摻鈦藍(lán)寶石激光器和Yb：YAG激光再生放大器為基礎(chǔ)搭建了一套由兩個(gè)OPA構(gòu)成的光場串聯(lián)相干合成光源。第一個(gè)OPA放大摻鈦藍(lán)寶石激光器的輸出脈沖，放大后的脈沖驅(qū)動超連續(xù)白光產(chǎn)生，將光譜延伸到波長更短的光譜范圍。接著，第二個(gè)OPA放大光譜中的短波部分，最終得到了脈寬為4.6 fs，能量為1 μJ的超短脈沖。

圖7 串聯(lián)相干合成方案示意圖[25]

Schmidt等提出的頻域OPA[37]是區(qū)別于上述兩種光場相干合成方案的一種技術(shù)，但同時(shí)兼具了上述兩種方案的特點(diǎn)。預(yù)先產(chǎn)生的超寬帶光脈沖通過一套4f系統(tǒng)(圖8)，這里4f指的是兩個(gè)光柵之間的距離是凹面鏡焦距的4倍。超寬帶光譜在焦平面處分開，使得對超寬光譜的處理分割為對窄帶光譜的處理，同時(shí)避免了各光譜成分經(jīng)過不同光路帶來的時(shí)間抖動。置于焦平面的OPA晶體對各光譜成分進(jìn)行放大。在實(shí)驗(yàn)中，通過一個(gè)OPA獲得了CEP穩(wěn)定的1.8 μm脈沖，然后利用空芯光纖先行將光譜進(jìn)行展寬。展寬后的超寬帶脈沖被送入4f系統(tǒng)進(jìn)行放大，最終輸出1.43 mJ的脈沖，脈寬12 fs，約為中心波長1.8 μm的兩個(gè)光周期。

圖8 頻域 OPA 裝置示意圖[37]

2.3 亞周期光脈沖表征方法

亞周期光脈沖研究的另一個(gè)重要內(nèi)容是對亞周期光脈沖的表征。對于超快脈沖，最常用的方法有頻率分辨光學(xué)選通技術(shù)[38，39](frequency-resolved optical gating，F(xiàn)ROG)和基于干涉光譜的一些方法，如光譜相位相干直接電場重構(gòu)法[39](spectral phase interferometry for direct electric field reconstruction，SPIDER)和二維光譜錯(cuò)位干涉法[40](two-dimensional spectral shearing interferometry，2DSI)等。這些方法在超快脈沖的測量表征中得到了廣泛應(yīng)用，取得了非常豐碩的成果。這里，我們僅討論將它們應(yīng)用到少周期，甚至亞周期脈沖的測量上時(shí)，所需采取的額外考慮。

FROG的基本思想是通過某種方法構(gòu)造一個(gè)光學(xué)選通對待測量光脈沖進(jìn)行取樣。在每個(gè)時(shí)間采樣節(jié)點(diǎn)上，記錄下對應(yīng)的取樣光譜，由此構(gòu)造了一個(gè)二維頻譜圖。這個(gè)二維頻譜圖包含了光學(xué)選通和待測量光脈沖的“完整”信息。結(jié)合反演算法，二維頻譜圖中所包含的光學(xué)選通和待測量光脈沖的“完整”信息可以被提取出來，實(shí)現(xiàn)對超快脈沖的測量。根據(jù)光學(xué)選通的構(gòu)造方法，F(xiàn)ROG可區(qū)分為很多變種。當(dāng)使用FROG測量周期量級脈沖時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇合適的變種。比如測量超寬帶光脈沖，應(yīng)當(dāng)選擇不受相位匹配限制的表面三次諧波FROG。SPIDER則是通過非線性光學(xué)過程，構(gòu)造兩個(gè)頻率略有不同的待測量脈沖副本，通過使兩個(gè)脈沖副本干涉，提取待測量脈沖的光譜相位。然而，SPIDER提取待測量脈沖光譜相位的過程中，需要精確測量兩個(gè)脈沖副本之間的延時(shí)。對于少周期脈沖，延時(shí)的微小測量誤差就可能導(dǎo)致不可接受的脈寬測量誤差，因而SPIDER并不適用于測量少周期光脈沖或更短脈沖。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，人們提出了2DSI，它的基本思想與SPIDER大概一致，不同的是它不涉及延時(shí)的精確測量，因而可用于少周期脈沖的測量。

圖9 使用 FROG-CRAB 測量脈沖光電場時(shí)獲得的二維電子能譜圖[35]

有別于前述基于經(jīng)典非線性光學(xué)的方法，人們還提出了其他能夠直接測量光電場的方法。基于頻率分辨光學(xué)開關(guān)的阿秒脈沖完整重構(gòu)法[42](frequency-resolved optical gating for complete reconstruction of attosecond bursts，F(xiàn)ROG-CRAB)是目前最常用的阿秒脈沖表征方法。當(dāng)極紫外阿秒脈沖與激光脈沖同時(shí)聚焦到惰性氣體上，極紫外阿秒脈沖電離產(chǎn)生的電子脈沖動量將被激光電場所調(diào)制，調(diào)制量隨著兩個(gè)脈沖之間的延時(shí)變化而改變。記錄下不同延時(shí)的電子能譜，便可獲得一個(gè)二維電子能譜(圖9)，結(jié)合與FROG相似的反演算法，便可完成阿秒脈沖的表征。作為一種雙盲脈沖表征方法，F(xiàn)ROG-CRAB表征阿秒脈沖的同時(shí)，也直接測量了激光脈沖的光電場。值得一提的是，這個(gè)測量方法不受傳統(tǒng)意義上的非線性光學(xué)帶寬限制。

圖10 利用 ARIES 測量脈沖光電場時(shí)獲得的二維光譜圖，虛線標(biāo)出了用以追蹤光電場的截止區(qū)光子能量[43]

另外值得一提的是，Wyatt等[43]提出的基于高次諧波產(chǎn)生的一種光場測量方法，他們將該方法稱為阿秒分辨干涉電場取樣法(attosecond resolved interferometric electric-field sampling，ARIES)。實(shí)驗(yàn)上，一個(gè)能量較低的待測量脈沖與一個(gè)能量較高的高次諧波驅(qū)動脈沖同軸傳播。如此產(chǎn)生的高次諧波的截止區(qū)光子能量會被待測量脈沖所調(diào)制，掃描兩個(gè)脈沖之間的延時(shí)，便可根據(jù)截止區(qū)光子能量隨延時(shí)的變化(圖10)，直接推斷出待測量脈沖的光電場。這個(gè)測量方法同樣不受傳統(tǒng)意義上的非線性光學(xué)帶寬限制。

03總結(jié)與展望

強(qiáng)場亞周期光脈沖的產(chǎn)生是當(dāng)今超快光學(xué)的重要研究前沿之一，是下一代超快光源所應(yīng)當(dāng)具備的重要先進(jìn)特性。利用將多個(gè)中心波長不同的少周期超短脈沖進(jìn)行相干合成的光場相干合成技術(shù)，人們已經(jīng)在亞周期光脈沖產(chǎn)生的研究上取得了一些重要進(jìn)展。但是，通過前面介紹的亞周期光脈沖產(chǎn)生的相關(guān)進(jìn)展，我們也可以發(fā)現(xiàn)，如今亞周期光脈沖仍處于發(fā)展早期階段，尤其是強(qiáng)場亞周期光脈沖的成果屈指可數(shù)。最近，將高功率固態(tài)激光器與OPCPA結(jié)合以產(chǎn)生高脈沖能量、高重頻的少周期脈沖方面的研究有了一些顯著的進(jìn)展，這些進(jìn)展將給強(qiáng)場亞周期光脈沖的發(fā)展帶來巨大的機(jī)遇。相信在不久的將來，強(qiáng)場亞周期光脈沖產(chǎn)生技術(shù)將會有長足的發(fā)展，進(jìn)而為強(qiáng)場光物理研究帶來深遠(yuǎn)的影響。

審核編輯：湯梓紅