《表1 各种驱动激光系统下产生的阿秒脉冲最大光子能量和脉宽》

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《阿秒激光脉冲的产生与操控》

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在不断缩短阿秒脉冲脉宽的同时，研究者们也在不断提高阿秒脉冲的单光子能量（表1）.根据“三步模型”，谐波的最大光子能量遵循Ecutoff=Ip+3.17Up的截止定律[48].其中，Ip是介质原子的电离能，而为电子在激光场中的有质动力势，与驱动激光强度IL和波长平方L2成正比.因此，提升谐波最大光子能量最简单的方法就是提高驱动激光强度IL和波长λL.早期受限于驱动激光功率和激光波长等因素，实验上获得的阿秒脉冲的光子能量都在100 e V以内.随着中红外激光技术的发展，研究者逐渐将目光投向增加波长的方案来获得更短脉宽和更高光子能量的阿秒脉冲.2017年，Chang团队[27]和Gaumnitz等人[28]正是采用中红外少周期驱动激光，将阿秒脉冲脉宽缩短到53 as的同时，也将中心光子能量提高到200 e V以上.该光子能量覆盖了硅（Si）、磷（P）、硫（S）的L吸收边（硅:99 e V、磷:136 e V、硫:163 e V）及硼（B）的K吸收边（184 e V），因此可以用来研究含硅半导体材料分子尺度下的超快过程.随着光子能量进一步提升，波长范围在4.4～2.34 nm的X射线常被用来对有机物进行探测，其对应的光子能量范围为280～530 e V.在此范围内的光子不会被水分子中的氧（O，K吸收边为540 e V）吸收，但是会被有机物中的碳（C）原子和氮（N）原子（K吸收边分别为284和401 e V）吸收.因此，有机物在该波段内的吸收系数比水的高1个量级，这一波长范围被称作“水窗”.当光子能量被提高至水窗后，可以对生物活体样本进行显微成像.2015年，Silva等人[49]利用40 fs近红外飞秒激光，在实验中产生了空间分离的阿秒脉冲，其中心光子能量接近300 e V.2016年，Teichmann等人[50]利用1850 nm飞秒激光，通过实现高气压下的相位匹配条件，产生了光子能量覆盖250～500 e V的阿秒脉冲.2018年，Johnson等人[51]将聚焦后峰值强度超过2×1015W/cm2的红外激光作用在充氦气体盒中，将谐波的最大光子能量拓展到600 e V.他们还提出了过驱动机制，即利用强光场电离原子产生的等离子体对驱动激光的时空整型作用来满足相位匹配条件，提高阿秒脉冲的产生效率.但通过长波长驱动激光来提升光子能量方案面临的最大挑战在于，高次谐波的转换效率随驱动激光波长幂指数下降，因此，增大驱动激光波长提升高次谐波产率的方法受到了极大限制.2020年，Fu等人[52]采用双啁啾光参量放大技术产生了太瓦级中红外飞秒激光.该实验小组通过采用松散聚焦方式增加中红外激光和气体介质的作用距离，同时，还利用双腔气体盒来实现较低且稳定的背景气压，降低气体电离速率以满足相位匹配条件.最终，该实验产生的高次谐波谱不仅覆盖了150～350 e V的光子能量范围，同时还将水窗波段高次谐波的脉冲能量提升了近两个数量级.