中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
HX-L07組供稿
第28期
2022年04月11日
單周期光場調控固體高次諧波

  40年前,科學家們用皮秒激光電離氣體,首次觀測到了高次諧波(HHG:High-harmonic generation),從而將激光拓展到真空/極紫外,甚至軟X射線波段。作為產生相干X光的重要手段,眾多國際知名科研機構數十年來持續致力于高次諧波技術的研究,這為阿秒物理提供了前所未有的方法學支持。2022年,有諾貝爾獎風向標之稱的沃爾夫物理學獎(Wolf Prize)首次頒給三位高次諧波研究領域的先驅(瑞典隆德大學Anne L'Huillier教授,加拿大渥太華大學Paul Corkum教授,德國馬普量子光學所Ferenc Krausz教授)。

  首次實驗觀測到高次諧波后,人們不斷嘗試用固體取代氣體,這不僅是為了開發全固態高通量極紫外相干光源,更是為了實現固體中的布洛赫振蕩(Bloch Oscillations),從而為理解固體內在結構及能帶間和能帶內的超快動力學過程提供最直觀的觀測手段。但受限于驅動激光和固體能帶特性,固體材料很容易被強激光破壞,因此固體高次諧波的產生是一項很有難度的工作,特別是利用脈沖寬度僅數飛秒的少周期激光,更是具有挑戰性的研究內容。正如固體物理家Herbert Kroemer(2000年諾貝爾物理學獎)在其自傳中提到:“It became obvious that the huge fields required for Bloch oscillations in a bulk semiconductor could never be reached.在固體中實現布洛赫振蕩所需要的極端光場幾乎難以達到?!苯陙?,隨著單周期和亞周期極端光場調控技術的不斷突破,許多理論工作都預言固體高次諧波將為眾多材料的超快動力學探測以及穩定高效阿秒脈沖的產生提供全新研究手段(Rev.Mod.Phys.72,545,2000;Rev.Mod.Phys.81,163,2009;Rev.Mod.Phys.90,021002,2018),固體高次諧波產生技術再度受到更多關注。

  中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心HX-L07研究組長期致力于少周期極端光場產生及調控研究,曾先后在多類惰性氣體及固體中產生了高次諧波。最近,該研究組在前期工作的基礎上,利用超倍頻程超連續光譜相干合成技術,首次開展了合成光場調控固體高次諧波的研究,不僅在優化延時的條件下獲得了3.6 fs,0.75 mJ的高能量近單周期極端光場,而且也觀察到高次諧波的增強效應,同時拓展了高次諧波截止區的光子能量(圖2)。該工作有效提高了真空紫外輸出的光通量,展現了其在強場超快科學研究領域的優勢和應用前景,并有望為寬調諧高分辨真空紫外角分辨光電子能譜儀提供高品質的光源。相關成果以“Optimal generation of delay-controlled few-cycle pulses for high harmonic generation in solids”為題名發表在《Applied Physics Letters》期刊上。

  這項工作由該組的三位博士生蘇亞北、王帥、梁玥瑛在方少波、賀新奎和魏志義的指導下共同完成。第一作者蘇亞北為物理所聯培生,導師魏志義研究員;通訊作者為方少波副研究員。

  該工作得到了國家基金委“新型光場調控物理及應用”重大研究計劃、科技部國家重點研發計劃、中科院科研儀器設備研制項目、青促會人才項目和國家綜合極端條件實驗裝置的支持。


圖1:高次諧波產生單元真空腔體內局部結構


圖2:光場調控固體高次諧波輻射

論文鏈接:
APL 120, 121105 (2022); https://doi.org/10.1063/5.0085472