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阿秒科学与高次谐波光源(HHG)
2026-03-09

  阿秒(attosecond,10¹ s)是描述电子运动的自然时间尺度。在原子与分子内部,电子隧穿、电荷迁移与轨道重排等过程通常发生在几十至几百阿秒范围内。阿秒脉冲光源的出现,使得这些电子过程首次可以被时间分辨地直接观测,标志着超快科学从“原子核运动尺度”进入“电子运动尺度”。自 2001 年首次测得阿秒脉冲以来,脉宽已缩短至 40 as 量级,输出光子能量拓展至软 X 射线水窗区,重复频率提升至 MHz 级,阿秒技术已成为强场物理、超快光谱与极紫外光源领域的重要发展方向。

  目前最成熟的阿秒脉冲产生方式是高次谐波产生(High Harmonic Generation, HHG)。在强场飞秒激光驱动下,气体原子中的电子经历强场隧穿电离、在激光场中加速、再回碰复合并辐射高能光子的过程,形成宽带极紫外谐波谱。多周期驱动激光产生阿秒脉冲列,而当驱动脉冲压缩至 few-cycle 并实现载波包络相位(CEP)稳定时,可获得孤立阿秒脉冲也可以通过脉冲自偏振裂分重组的方式。除气体 HHG 外,固体与等离子体表面 HHG 也在快速发展,其中等离子体相对论振荡镜机制为高能阿秒辐射提供了新的可能,但气体 HHG 仍是当前桌面级阿秒光源系统的主流技术路线。

  阿秒光源的性能本质上由驱动激光决定。由于 HHG 转换效率通常处于10⁻⁸–10⁻⁴ 范围内,驱动激光的峰值强度、脉冲宽度、波长与重复频率直接影响谐波产额与截止能量。更短的脉冲有利于孤立阿秒脉冲生成,更高的单脉冲能量提升谐波强度,更长的驱动波长可将截止能量延伸至软 X 射线区域,而更高重复率则显著提高总体光子通量与实验信噪比。因此,阿秒科学的发展始终与超快驱动激光技术同步演进,不同应用场景对驱动参数的需求存在显著差异。

为满足 HHG 强场需求,现代驱动激光系统通常采用啁啾脉冲放大(CPA)、光学参量放大(OPA/OPCPA)以及多通道相干合成等架构。CPA 技术实现了高能飞秒脉冲的稳定输出,OPCPA 提供了更宽带增益与 few-cycle 放大能力,而双啁啾参量放大(DC-OPA)、频域参量放大(FOPA)及新型准参量放大(QPCPA)等前沿方案正推动高能宽带中红外驱动的发展。在此基础上,通过非线性后压缩技术进一步拓宽光谱带宽,成为获得 few-cycle 驱动的关键步骤。空芯光纤(HCF)、多薄片MPSC)与多腔(MPC)是当前主流方案,其中 MPC 在高能量与高平均功率扩展方面展现出优异的工程适应性,可支持百毫焦级单脉冲能量压缩与千瓦级平均功率运行,为高通量 HHG 系统提供重要技术支撑。

随着驱动激光能力的持续提升,阿秒光源正向更高光子通量、更高重复率以及更高光子能量方向发展,尤其是软 X 射线水窗区输出与高重复率桌面系统成为重要趋势。相比大型同步辐射装置与自由电子激光,基于 HHG 的桌面级阿秒光源具有结构紧凑、波段覆盖宽、与超快光谱天然兼容等优势,正在材料科学、分子动力学、电子结构研究及超快成像等领域发挥越来越重要的作用。

  高次谐波光源在阿秒技术体系中承担着连接超快驱动激光与极紫外/软 X 射线输出的核心角色。通过优化驱动激光参数、相位匹配条件与谐波收集效率,可构建稳定、可扩展的 VUV–XUV–SXR 光源平台。随着系统工程化水平的提高,HHG 光源正逐步从实验室验证阶段走向标准化科研设备阶段,为阿秒科学与超快电子动力学研究提供持续可靠的技术基础。

  对于阿秒光源涉及到的非线性波长变换-脉冲整形-非线性后压缩-自偏振裂分重组-高次谐波产生等方面,皓宇芯光均能提供技术方案和光学模组,为极短波长和极限的时间分辨提供助力。

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