超短脈衝激光與超快現象（一）

科技 04-26

超快現象是指發生在物質微觀體系中快速變化的物理、化學或生物過程。在原子分子體系中，原子及分子運動的時間尺度大約從皮秒（picosecond,10^-12秒）到幾十飛秒（femtosecond，10^-15秒），如分子轉動的周期約為皮秒量級，振動的時間周期約幾百到幾十飛秒。而原子分子內部電子以及與電荷轉移相關的運動時間尺度則大約從幾十飛秒短至幾個阿秒（10^-18秒），如分子軌道上電子的時間尺度為幾十飛秒，價帶和外殼層電子時間尺度約為幾十阿秒到飛秒量級，內殼層電子則為幾個阿秒（attosecond，10^-18秒），如圖1所示。

超短脈衝激光與超快現象（一）

圖1.物質微觀體系中各瞬態現象的時間尺度

對物質微觀體系超快現象的研究不僅可以使我們認識物質的本質，而且還可以發現控制和改變與物質變化相關的瞬態過程從而產生新的物質，更好地為人類服務。探索和控制物質內部的超快過程，就需要超短脈衝激光。所謂超短脈衝激光是指脈衝的持續時間（也就是脈衝時間寬度）相當於或短於微觀體系中快速變化過程時間的激光束，即通常所說的皮秒，飛秒或阿秒脈衝激光。超短脈衝激光之所以能用於瞬態現象的探測，是利用超短脈衝激光的持續時間非常短的特點，類似於高速照相機拍攝快速變化的過程，如見圖2所示的排球跳發球的過程，利用高速攝影機就可以將跳發球這個快速變化的過程分解為各個單獨的動作。我們可以把激光脈衝當作閃光燈，當一個激光脈衝照過來時，相當於閃光燈曝光一次，從而記錄一幅照片，當一幅幅照片記錄下來，連續播放就可以顯示其動態變化過程。激光脈衝的時間寬度決定了曝光時間，所以用超短脈衝激光可以觀察到物質內部原子、分子甚至電子的運動過程。

超短脈衝激光與超快現象（一）

圖2，用高速相機拍攝排球跳發球的過程

超短脈衝激光是人們研究探測物質微觀體系瞬態現象的唯一工具，目前最為成熟和廣泛使用的是飛秒激光和皮秒激光。作為超短脈衝激光研究最前沿的內容，國際上有多個研究組也已實現了阿秒脈衝激光輸出。中國科學院物理研究所從1997年系統開始了飛秒激光技術的發展研究，迄今已在飛秒激光的產生、放大、壓縮、同步、頻率擴展及載波包絡相位測量與控制等方面取得了系列有重要影響的進展，並建成當時國際上峰值功率最高的1.16PW飛秒超強鈦寶石激光裝置及國內首台阿秒激光裝置。針對皮秒及飛秒激光的廣泛應用，近年來在部分成果可靠性研究的基礎上，聯合鹽城物科光電有限公司進一步研發了自動控制的飛秒激光振蕩器、太瓦級高峰值功率飛秒激光器、高重複頻率飛秒激光放大器、寬調諧飛秒參量激光器、高平均功率的全固態飛秒及皮秒激光器等器件，迄今已提供國內外多家單位成功進行了多項超快現象和強場物理相關的研究，顯示了國產超短脈衝激光產品在性能質量及運行維護方面的顯著優勢，為國產超短脈衝激光的產業化發展發揮了積極的作用。下圖是部分超短脈衝激光產品照片。

超短脈衝激光與超快現象（一）