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超强激光科学卓越创新简报

(第二百九十三期)

2022年7月25日

上海光机所与合作单位提出紫外超连续产生新机制

  近期,中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室与国防科技大学等单位合作,提出一种产生紫外超连续辐射的新机制,并将其作为探针获得了CO2隧穿电离后的吸收光谱。相关研究结果以“Ultraviolet supercontinuum generation driven by ionic coherence in a strong laser field”为题发表在Nature Communications(《自然·通讯》)上。

  超连续相干光源在显微成像、分子结构分析、光化反应监测等众多科学领域具有重要应用。超连续光源一般通过激光与透明介质的非线性相互作用产生。基于自相位调制、自陡峭等传统的非线性光学效应,容易获得可见光和近红外区域的超连续光源,但紫外波段超连续产生仍具有一定的挑战性。

  在本项工作中,研究团队发现利用中红外飞秒激光电离空气中普遍存在的氮分子,可以在紫外波段产生约100 nm带宽的超连续辐射,为产生短波区超连续相干光源提供了新思路。与以往的超连续产生机制不同,这种紫外超连续辐射是强场隧穿电离和光-离子多光子多通道相干耦合共同作用的结果。研究表明,在强场电离的同时,由于动态Stark效应,中红外飞秒激光可以连续改变分子离子激发态到基态的跃迁能,使得它能够与激光场发生动态五光子共振,从而诱导了分子离子能级间的量子相干。离子相干极化促使了紫外区强相干辐射的产生,其辐射波长随瞬时跃迁能的变化连续改变,因此形成了紫外超连续辐射。研究团队还揭示了多个离子态之间的协同和竞争作用对于超连续产生的重要贡献,并展示了该紫外超连续相干光在二氧化碳离子吸收光谱中的应用。

  该研究打破了人们普通认为的气体介质束缚态到束缚态跃迁将产生具有孤立特征峰光谱结构的辐射的传统观念,证明了强激光可以强烈地改变量子束缚态之间的跃迁和辐射特性,为解决短波区超连续产生的难题提供了简单有效的新途径。同时,也搭建了强场物理和量子光学研究的桥梁,为开展强场离子量子光学研究提供了新机遇。

  相关工作得到了国家自然科学基金重大研究计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市优秀学术带头人、中科院青年创新促进会等项目的支持。

  原文链接

图1 超连续产生的基本原理示意图

图2 (a)超连续辐射随泵浦激光强度的演化以及(b)空间发散特性,泵浦激光强度标在相应的光谱上(单位:1014 W/cm2

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