首次基于傳播效應提出紫外脈沖自注入機制

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記者10月23日從國防科技大學獲悉，該校物理系教授趙增秀研究組與美國斯坦福大學教授Shambhu Ghimire合作，在拓展固體高次諧波截止能量研究中取得重大突破，首次基于傳播效應提出紫外脈沖自注入機制。

10月12日，上述研究成果發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。國防科技大學物理系博士研究生郎躍為論文第一作者，通訊作者為國防科技大學教授趙增秀、副教授劉金磊和Shambhu Ghimire教授，第一單位為國防科技大學。

強激光與物質相互作用中物質的非線性響應一直以來都是全球科研工作者所關注的重要基礎物理問題之一。上世紀末，隨著人們在氣體介質中觀察到強激光作用下產生的高次諧波信號，阿秒脈沖的產生正式敲開了微觀世界阿秒(1阿秒=10-15秒)時間尺度內超快動力學過程診斷的大門，從此微觀世界運動規律的實驗探測不再遙不可及。

隨著2011年美國斯坦福大學的Ghimire小組首次在氧化鋅晶體中觀察到了固體高次諧波信號，基于固體介質的高次諧波產生研究正式走上臺前。相較于氣體高次諧波，固體產生高次諧波的優勢在于其強度更強且穩定性更高，并且更有利于實現阿秒脈沖光源產生裝置的臺面化。然而，提高固體高次諧波的截止能量至今仍然面臨著巨大挑戰。

為了解決該關鍵性問題，研究團隊提出了基于紫外脈沖注入的固體高次諧波截止能量拓展方案。方案充分利用了高能帶結構參與諧波輻射過程，通過紫外脈沖將遠離布里淵區中心的電子布居到最低導帶C1上，然后通過紅外脈沖驅動的帶內加速，該電子態有較大概率穿越布里淵區邊界并通過朗道隧穿被布居到更高導帶C2上，從而通過電子空穴對復合輻射出更高能量的諧波光子。

 基于紫外脈沖注入的固體高次諧波截止能量拓展三步模。受訪者 供圖

考慮到實際實驗中固體材料是有一定厚度的，研究人員進一步通過耦合考慮麥克斯韋方程研究了傳播效應，并發現由于在實驗室研究中的高次諧波和基頻光是在固體材料內部同步傳播的，因此紫外脈沖注入機制在固體內部是每時每刻都在發生的，即存在紫外脈沖自注入拓展諧波截止能量的機制，該自注入機制也在研究中得以展示。

該研究工作打破了傳統用高強度激光提高固體高次諧波截止能量的傳統認知，證明了基于紫外脈沖注入方案在低強度基頻脈沖作用下產生高截止能量諧波光子可行性，提出了貼近真實有限厚度固體實驗環境條件下的高次諧波自注入拓展截止能量機制，為基于固體介質的穩定阿秒脈沖光源產生提供了新的途徑，為固體介質超快動力學過程診斷提供了新的機遇。

該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的資助。

相關論文信息：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.167402