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2022年沃尔夫奖获得者|Paul Corkum对超快科学的展望

超快科学:挑战与发展前景   
 Paul Corkum 教授

超快激光领域的领导者和先驱

加拿大物理学家

渥太华大学阿秒科学联合实验室首席科学家

伦敦皇家学会会士和加拿大皇家学会会士

美国国家科学院

奥地利科学院和俄罗斯科学院外籍院士

因高次谐波领域的杰出贡献和

提出半经典再碰撞模型而闻名

(半经典再碰撞模型建立了对高次谐波产生过程的理解,该模型是理解和操控阿秒脉冲的基础)

     三大挑战     

I  能否将激光产生的高次谐波的功率提高到足以允许软 X 射线波段的泵浦-探测?将高次谐波与自由电子激光相结合。
II  能否将时间分辨测量延伸到普通物质本征的电子时间尺度(10as)?
III  能否将 30eV左右的固体谐波辐射聚焦到单波长范围(~50nm)?应用于半导体产业。
 I 增加激光产生的高次谐波的功率 

 

基本问题:  

 

  • 等离子体的形成和高次谐波的产生同时发生。
  • 将高次谐波延伸至软 X 射线波段需要更长的基波波长。
  • 波长越长,等离子体的影响越强。
直接克服这个问题似乎不太可能。但是:控制基波(我们可以做到高精度控制)就能控制谐波。

所以我们就可以较好的调制高次谐波。最好的选择可能在于在自由电子激光放大器中放大激光产生的阿秒脉冲。

   II 超高时间分辨测量   

在可见光或红外光波段中,超快动力学实验是通过测量许多不同的可观测量来进行的。可见光波段的泵浦-探测技术已被证明是非常强大的手段。
部分原因是非线性光学测量需要系统返回到其初始状态,从而迫使信号光束的整个波前相干。
非线性光学能否在极端波段中(比如X射线波段)发挥类似的作用?
如果可以的话,我们可以测量物质中电子的最终时间响应。

  III 将30 eV谐波聚焦到波长范围  

高次谐波在固体中产生,将固态技术与甚紫外(VUV)辐射结合在一起。
在光学器件允许的范围内,可以利用纳米制造技术来聚焦 VUV 辐射。
我们还可以利用表面生成的谐波将满足衍射极限的基波转换为衍射极限的谐波。
2022年沃尔夫奖获得者|Paul Corkum对超快科学的展望

Science, 357, 6348(2017)

未来展望:

是否可将固体与气体谐波相结合,从而延长衍射限制的高次谐波的光谱范围?

一维氦中Fano共振的模拟2色测量

2022年沃尔夫奖获得者|Paul Corkum对超快科学的展望

氦气中的 Fano 共振(以及氩气中的 Cooper 最小值)的非线性光学测量展示了有希望的前景。

    Paul Corkum 简介    

Corkum博士利用强红外光脉冲与原子或分子的相互作用来产生相干的软 X 射线辐射和阿秒光脉冲。当强激光电离材料并控制电离的电子时,这些过程背后的极端非线性物理过程就会出现。当激光脉冲的电场迫使每个电子与其离开的离子重新碰撞(并重新结合)时,这些光控电子会产生相干的软 X 射线辐射这种重组产生的阿秒软X 射线脉冲是目前科学可用的、最短的可控闪光(光脉冲)。
2022年沃尔夫奖获得者|Paul Corkum对超快科学的展望
重新碰撞的电子波包也提供了其他的应用场景。它可以从其母分子衍射,从而对原子位置进行成像,或者它可以干扰其母轨道,从而提供其起源的电子轨道图像。用现代术语来说,这是分子可以采取“自拍”的两种方式(还有其他方式)。
阿秒科学开启了新测量方法的潜能。在过去几年中,这些一直是 Corkum 博士工作的一个特别重点。例如,他的团队测量了阿秒脉冲的时空图像,并且他们已经对电子从二氧化碳分子中隧穿时在离子中发射的多电子波包进行了时间解析。

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