突破性方法产生超短、高功率激光脉冲

在过去的几年里，高能、少周期中红外脉冲因其广泛的应用而引起了广泛的关注，包括二维红外光谱、亚飞秒电子发射、化合物的时间分辨成像、相干软 X 射线和非相干硬 X 射线生成。

最近，新加坡科技研究局（A*STAR）新加坡制造技术研究所的科学家们建造了一种激光合成器，可以产生比波周期短的红外脉冲。

这可以让研究人员研究原子内电子的运动。由于这些超短脉冲的波长属于中红外范围，很容易被各种原子和分子吸收。

在原子内，电子从一个能带移动到另一个能带的时间为飞秒（10−15 秒）甚至阿托秒（10−18 秒）。由于这些特殊的时间尺度，科学家需要高功率、超短激光脉冲来观察和分析此类事件。

生产它们的一种方法是将非线性晶体暴露于非常短、极强的红外脉冲中。然而，该团队不仅实施了传统方法，还改进了创建短中红外脉冲的方式。

为了产生比波周期短的脉冲，需要较宽的光谱带宽。先前的研究将优点与多个光谱覆盖范围相结合来实现如此大的带宽，这是一项非常困难和复杂的任务。您需要使用不同的噪声控制设备来精确控制各个脉冲的相对幅度和相位。

为了让事情变得非常简单，科学家们使用了一种称为光学参量放大器的设备——一种发射两个波长可变的激光脉冲的光源。这两个脉冲的相位和幅度可以相对配置。

参考：Nature Communications | doi:10.1038/s41467-017-00193-4

他们开发的放大器以非常短的时间延迟发射脉冲，因此它们合并成宽带脉冲，而不需要任何额外的噪声控制系统。有可能使最终脉冲甚至比波周期更短，因为相消干涉在其边缘切割脉冲，而相长干涉发生在其中心。

图片来源：维也纳科技大学

当这些超短脉冲定向到特定的固体材料时，它们会触发高紫外线区域的高能光子发射。这些高能光子可以进一步用于研究原子内部发生的过程，这些过程发生在阿秒的时间尺度上。

在这项研究中，研究人员使用中红外脉冲在硅薄片中产生高能光子。更具体地说，他们展示了一种覆盖 2.5 至 9.0 微米带宽的高能中红外脉冲合成器，并驱动薄硅样品中的高次谐波产生，以显示固体中的孤立强场相互作用。观察到合成脉冲宽度约为 12.4 飞秒，对应于约 4.2 微米处的 0.88 光周期。

在接下来的工作中，该团队将创建来自其他材料的隔离电子脉冲，这将能够检查原子内更快的过程。

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此外，泵浦激光技术的进步可能会将中红外子循环源推向峰值功率，以驱动气态介质中的高场相互作用。

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