隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，超快超強激光可以在飛秒的時間尺度（1飛秒=10-15 秒）內(nèi)作用于電子使電子產(chǎn)生約0.1納米（1納米=10-9米）量級的空間位移。利用超短超強激光脈沖，人們將可以實現(xiàn)分子尺度下的電子位置的超快及超高精度的位置控制。然而現(xiàn)有的探測技術(shù)，卻無法實現(xiàn)對電子如此微小位移的精確測量。隧道掃描顯微鏡（STM）利用的電子量子隧穿信號能以0.1納米的橫向和0.01納米的縱向分辨率對靜止的原子進行成像，卻無法對運動中的電子進行成像。光電子顯微鏡（PEEM）成像系統(tǒng)雖然可以測量運動電子的位置，但是其最好的分辨率僅能達到約3納米，無法在0.1納米的尺度進行位移測量。日前，該團隊利用強場電離中的時間雙縫干涉圖樣，提出對電子在激光脈沖下的微小位移進行了測量的新方案，該方案的分辨率可達0.01納米。為了測量電子在超短脈沖作用下的位移，他們把導(dǎo)致電子位移的超短脈沖置于兩束較長反向旋轉(zhuǎn)的圓偏振光之間。兩束反旋向的圓偏振光先后分別電離電子，構(gòu)成時間上的電子波包雙縫干涉，這在電子動量譜中產(chǎn)生渦旋結(jié)構(gòu)。在沒有中間的超短脈沖時，該渦旋結(jié)構(gòu)角向是均勻分布的。當中間加入了一束任意的被測超短脈沖，它將作用于前一圓偏光電離的電子使之產(chǎn)生微小位移，這個微小位移使得電子波包獲得一個額外相位，從而導(dǎo)致先后兩個電子波包的干涉結(jié)構(gòu)在角方向產(chǎn)生了非均勻性。他們提出通過測量這個非均勻的角向分布，可以準確地提取出電子在超短脈沖作用下產(chǎn)生的亞納米量級的微小位移。他們的方案對激光的焦斑效應(yīng)以及兩束圓偏振光的相位抖動具有很好的抗干擾能力。該理論方案近期以“Proposal for measuring electron displacement induced by a short laser pulse”為題在線發(fā)表在《物理評論快報》上【Phys. Rev. Lett. 122, 053201, (2019)】，光學(xué)所的博士生肖相如為第一作者、彭良友教授為通訊作者。

左圖：新方案示意圖；右圖：測量方案給出的理論預(yù)測結(jié)果。

研究團隊近期還與吉林大學(xué)丁大軍教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組緊密合作，理論提出并在實驗上實現(xiàn)了對橢圓偏振強激光橢偏率的原位測量新方案。他們利用兩束其它參數(shù)相同而旋向相反的橢偏光來電離惰性氣體氙（Xe）原子，強場電離得到的電子閾上電離譜和單電離離子總產(chǎn)率譜敏感地依賴于兩束光脈沖之間的延時。這些能譜和產(chǎn)率隨延時的周期性調(diào)制，能夠準確反映一個光學(xué)周期之中橢圓偏振光的電場強度的最小和最大值間的比值，因此可以用來準確提取每一束橢偏光的橢偏率。研究表明，這一橢偏率測量方案在很大的激光參數(shù)范圍內(nèi)普遍適用，這一工作在準確表征超快強激光場的性質(zhì)方面邁出了重要一步，將對強場物理研究中精細操控原子分子內(nèi)的超快過程起到重要推動作用。該項成果以“Accurate in situ Measurement of Ellipticity Based on Subcycle Ionization Dynamics” 為題，于2019年1月9日發(fā)表在《物理評論快報》上【Phys. Rev. Lett. 122, 013203 (2019)】，吉林大學(xué)原子與分子物理研究所的王春成副教授、博士研究生李孝開、北大博士生肖相如為論文共同第一作者，北京大學(xué)彭良友教授、吉林大學(xué)丁大軍教授為該論文的通訊作者。

這些研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室、北京量子信息科學(xué)研究院、極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等的重要支持。

兩篇論文的原文鏈接：

• https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.053201
• https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.013203