全光阿秒时域干涉技术——时域、频域分辨率“双高”的高精度探测手段 | NSR

随着微观物理研究的深入，人们对探测技术分辨率的要求不断革新。近二十年来，超快光学不断发展，超短脉冲已经达到了阿秒量级的原子时间尺度，具有极高的时间分辨率，因而成为探测微观物理的重要手段。

       然而由于傅里叶变换的性质，超高时间分辨尺度往往意味着更低的频率分辨率，为从频域中提取原子、分子的结构信息带来困难。因此，寻求一种同时结合时域和频域分辨率的探测手段显得至关重要。

       最近，华中科技大学超快光学团队在《国家科学评论》(National Science Review，NSR) 发表研究论文，提出了一种全光阿秒时域干涉方案。该方案利用强激光驱动的高次谐波阿秒脉冲序列作为时间干涉狭缝，通过引入弱的微扰场，可以精确操控该干涉仪的时域波前，进而影响最终高次谐波频谱分布。单个高次谐波的频率移动直接与微扰场的时域波形及阿秒脉冲的时间间隔相关，可以被用于对相关物理量的精度测量。

       该方案克服了单个超短脉冲频域分辨率低的弊端，兼具高的时间分辨本领和能量分辨本领。图1为该干涉仪的原理图。利用该项技术的超高时间分辨率，作者成功实现了任意偏振态光场时域波形的精密测量。

 图1  全光阿秒时域干涉仪原理：驱动场E0与原子相互作用产生阿秒脉冲序列，形成阿秒时域狭缝，狭缝间的干涉在频谱上形成干涉条纹。弱的信号场能对电子轨迹进行扰动，从而改变干涉仪的波前，最终导致干涉条纹的移动。（a）扫描信号场和驱动场之间的延时得到干涉条纹图样行迹图。（b）由图（a）干涉条纹图样行迹图提取的超短脉冲时域结构。

同时，利用该干涉仪特有的能量分辨率，作者也进行了微观粒子结构信息的精密探测。图2显示了两种不同原子（氩和氖）的实验结果。图2中横坐标代表不同阶次高次谐波信号随延迟轴变化的频谱分布，其极小值位置的倒数表征了相邻两个阿秒时间狭缝的间隔。实现发现氖气产生的阿秒时间狭缝间隔为恒定值，而氩气产生的阿秒时间狭缝间隔在50eV左右发生一个微小的跳变，这是由于氩原子具有更多电子壳层，其更复杂的电子态结构导致高次谐波阿秒狭缝可以由两种轨道贡献。不同轨道间的相互干涉使得阿秒狭缝呈现特殊的时域结构，这一异常结构最终能被该干涉仪成功探测。

图2  氖气（a）及氩气（b）与强激光相互作用时，产生的阿秒时间狭缝的间隔随高次谐波能量的变化关系。

该方案将基于干涉手段的测量技术推广到了阿秒时间-百毫电子伏时间频率域，在精密测量方面具有广阔的应用前景。