一、ELI-ALPS：一級(jí)光源超短脈沖激光

自由電子激光器、同步輻射等光源在國(guó)際上十分普遍，這些光源提供獨(dú)特參數(shù)的光給用戶使用。在這些光源工作的科學(xué)家有一大部分是激光專家，而用戶很多來(lái)自化學(xué)、生物、凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域。這些用戶在大型光源預(yù)約Beam Time，然后光源會(huì)給出一個(gè)固定的時(shí)間讓他們做實(shí)驗(yàn)。

基于高次諧波的阿秒光源，目前為止，主要是由各個(gè)實(shí)驗(yàn)室，各個(gè)單獨(dú)的PI來(lái)運(yùn)行，體積小Table-Top是它的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，科學(xué)家們可以在自己的實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，這樣就沒有Beam Time時(shí)間的限制。

但是，一方面，阿秒脈沖的參數(shù)的進(jìn)一步提高，伴隨著激光器的性能的進(jìn)一步增強(qiáng)，所導(dǎo)致人力成本和資金成本的進(jìn)一步攀升；另一方面，阿秒時(shí)間分辨的試驗(yàn)裝置的復(fù)雜程度也在進(jìn)一步變高，使得非激光專業(yè)的人獨(dú)立開展試驗(yàn)的難度加大。

這個(gè)問(wèn)題有兩個(gè)解決方案，一是由單PI小組，變成多個(gè)研究小組的(研究所/研究中心)聯(lián)合形式，比如德國(guó)柏林的馬克思波恩非線性光學(xué)研究所(Max Born Institute – MBI)，激光裝置、實(shí)驗(yàn)裝置和用戶都是自己。另一個(gè)就是ELI-ALPS，借鑒自由電子激光器、同步輻射的方案，提供阿秒光源給外部用戶使用。

圖1 國(guó)際上研究機(jī)構(gòu)使用的超短脈沖激光，這些激光被用來(lái)產(chǎn)生高通量高重頻阿秒光源。

圖1給出了目前國(guó)際上幾個(gè)研究機(jī)構(gòu)的超短脈沖激光的參數(shù)，可以看見，MBI擁有重復(fù)頻率100kHz單脈沖能量100uJ這樣的超短脈沖激光。這里要指出，表中給出的研究單位是不全的，比如瑞典的Lund University也擁有類似參數(shù)的激光器。對(duì)于泵浦探測(cè)試驗(yàn)，科學(xué)家們希望的是高的光通量，因此，希望單脈沖能量盡量高，這就是圖1中左上角的區(qū)域；對(duì)于Coincidence Measurement，科學(xué)家們希望比較弱的單發(fā)激光強(qiáng)度以得到比較干凈的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是，過(guò)弱的激光會(huì)導(dǎo)致信噪比很低，因此，需要在同樣的時(shí)間內(nèi)記錄足夠多的樣本數(shù)，也就是說(shuō)，需要高的激光重復(fù)頻率，這就是圖1中右下角的部分。

總的來(lái)說(shuō)，ELI-ALPS的激光系統(tǒng)的總體目標(biāo)是在單脈沖能量足夠的前提下，提高重復(fù)頻率。動(dòng)機(jī)很簡(jiǎn)單，重復(fù)頻率越高，意味著每秒鐘得到的脈沖就越多，這樣同一個(gè)實(shí)驗(yàn)花的時(shí)間就越少。比如，1kHz系統(tǒng)100天能完成的試驗(yàn)，使用100kHz系統(tǒng)，1天就完成了。圖1中給出了ELI-ALPS中不同激光系統(tǒng)的大體參數(shù)空間，下面會(huì)分別作介紹。

1.1 High repetition rate laser system (高重頻激光系統(tǒng)) 

這套激光的單脈沖能量在mJ量級(jí)，重復(fù)頻率100kHz，具體參數(shù)見表1；目前類似的商用激光激光參數(shù)是，1kHz，幾個(gè)mJ. 

圖2給出了這套激光的結(jié)構(gòu)圖。CEP穩(wěn)定的fiber oscillator給出80MHz，中心波長(zhǎng)在1030 nm，單脈沖能量nJ量級(jí)的激光；聲光調(diào)制器將重頻降至100kHz，經(jīng)過(guò)量級(jí)預(yù)放(pre-amplifier systems, LPF-large pitch fibers, 65um core diameter), 單脈沖能量放大至0.1uJ；經(jīng)過(guò)光柵展寬器，展寬至2ns，在經(jīng)過(guò)8通道的光纖放大器，每個(gè)LPF放大通道使用80W的泵浦激光，8個(gè)通道的激光最后相干合成為一束，并經(jīng)過(guò)壓縮器，得到200fs，3mJ的激光，在經(jīng)過(guò)兩級(jí)的空心光纖壓縮器，最后可以得到1mJ量級(jí)、100kHz的周期量級(jí)超短脈沖激光。未來(lái)單脈沖能量將被升級(jí)至5mJ。

表1. 高重頻激光激光的激光參數(shù)

圖2 高重頻激光系統(tǒng)

1.2 Single cycle laser system (單周期激光系統(tǒng))

第二套激光系統(tǒng)的參數(shù)見表2，這套系統(tǒng)最后可以得到單脈沖45mJ的周期量級(jí)的激光，重復(fù)頻率1kHz；目前市場(chǎng)上的類似系統(tǒng)參數(shù)是1kHz，幾個(gè)mJ.

結(jié)構(gòu)見圖3，Yb-based oscillator 和再生放大器組成fs-CPA，產(chǎn)生1.5mJ(1030 nm)的激光作為前級(jí)；振蕩器分出一部分1064 nm作為皮秒泵浦激光的種子；再生放大器出射激光的10%注入fs-OPA，產(chǎn)生CEP穩(wěn)定的1.3~1.5um 的idler作為fs-NOPA的種子; fs-NOPA的輸出光經(jīng)過(guò)棱柵和Dazzler組成的展寬器，被展寬至75ps(0.5uJ)；接下來(lái)進(jìn)過(guò)多級(jí)BBO-Based NOPA系統(tǒng)，被放大；經(jīng)過(guò)壓縮以后，可以得到45mJ，小于10fs的激光。

表2. 單周期激光系統(tǒng)的參數(shù)

圖3. 單周期激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 High Field laser system (強(qiáng)場(chǎng)激光系統(tǒng))

激光參數(shù)見表3，參數(shù)是2PW，10Hz; 目前國(guó)內(nèi)和國(guó)際上已有多套PW系統(tǒng)，大多重復(fù)頻率較低。這里要指出的是，ELI-ALPS的關(guān)注目標(biāo)是原子、分子體系，也就是核外，所需要的激光光強(qiáng)并不是很高，因此，對(duì)于PW級(jí)別的激光，目標(biāo)是提高重復(fù)頻率，而不是提高單脈沖能量。ELI的另外幾個(gè)pillars，比如Nuclear Physics，會(huì)要求更高的激光功率。

,前級(jí)激光和傳統(tǒng)的鈦寶石方案有所不同。光纖激光器得到2mJ, 1030nm，sub-ps的激光脈沖；其中的一部分產(chǎn)生白光超連續(xù)，并且使用差頻的方法得到CEP穩(wěn)定的激光，倍頻得到1600nm的激光，經(jīng)過(guò)OPA放大以后，再倍頻，得到800nm激光。

第一套強(qiáng)場(chǎng)激光系統(tǒng)HF-PW，前級(jí)的一部分激光經(jīng)過(guò)基于鈦寶石的OPCPA系統(tǒng)，最后得到10Hz，2PW的激光，結(jié)構(gòu)參見圖4。

另一套激光系統(tǒng)HF-100，目前還在設(shè)計(jì)階段，很可能使用OPCPA, polarization encoded CPA Scheme和thin disk Ti:Sapphire的混合方案，結(jié)構(gòu)參見圖4。

表3. 強(qiáng)場(chǎng)激光系統(tǒng)的參數(shù) 

圖4 強(qiáng)場(chǎng)激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.4 Mid-infrared laser system (中紅外激光系統(tǒng))

這套激光系統(tǒng)參數(shù)見表4，輸出3um，100kHz，單脈沖能量150uJ。結(jié)構(gòu)見圖5，光纖振蕩器的種子進(jìn)入兩套放大系統(tǒng)，一是基于光線的CPA系統(tǒng)(Yb FCPA)(300 fs, 200uJ)，另外一套是二極管泵浦的全固態(tài)激光器(DPSSL)(1 ps, 2 mJ). 第一套放大器通過(guò)差頻的方式產(chǎn)生CEP穩(wěn)定的3um激光，然后再被第二套放大器放大，得到3um, 100kHz, 150 uJ的激光。同時(shí)還輸出CEP浮動(dòng)的1.4~1.75 um, sub-100fs, 100uJ的激光。 

表4 中紅外激光系統(tǒng)參數(shù)

圖5 中紅外激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

二、ELI-ALPS：二級(jí)光源阿秒脈沖

ELI-ALPS的目標(biāo)是提供高重頻、高通量、穩(wěn)定的阿秒脈沖給用戶使用，并不追求阿秒脈沖的極端參數(shù)。在前面提到過(guò)，目前阿秒脈沖光子能量可以達(dá)到數(shù)千電子伏特，脈沖寬度幾十阿秒；ELI-APLS的目標(biāo)參數(shù)是百電子伏特和幾百阿秒。

ELI-ALPS實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)見圖6，高重頻激光HR，中紅外激光MIR，單周期激光SYLOS，THz激光，強(qiáng)場(chǎng)激光HF都位于單獨(dú)的房間內(nèi)，二級(jí)阿秒光源和實(shí)驗(yàn)區(qū)域主要分成三部分，(1)利用HR和SYLOS的氣體高次諧波(GHHG); (2) 利用SYLOS的電子源(e-)和表面等離子體高次諧波(SHHG); (3)利用強(qiáng)場(chǎng)激光的粒子源和表面等離子體高次諧波. 圖7給出了一級(jí)光源、二級(jí)光源和后續(xù)的應(yīng)用.

表5給出了不同裝置產(chǎn)生的XUV、X-ray脈沖的比較，可以看見，自由電子激光器FEL的優(yōu)勢(shì)是高的光通量，單脈沖能量能夠達(dá)到100uJ量級(jí)；而高次諧波HHG的優(yōu)勢(shì)是脈沖短，百阿秒到幾十阿秒量級(jí)。

利用ELI-ALPS的阿秒光源，科學(xué)家們能利用各種測(cè)量手段以及進(jìn)行超快動(dòng)力學(xué)探測(cè)。這些測(cè)量裝置有Reaction microscope(ReMi, also known as cold target recoil ion momentum spectrometer COLTRIMS)、photoelectron emission microscope (PEEM)、Angle-resolved photoemission spectroscopy(ARPES)可、Velocity map imaging spectrometers (VMI)和Magnetic bottle electron spectrometer等等。

圖6 ELI-ALPS的激光系統(tǒng)和阿秒實(shí)驗(yàn)室

圖7 ELI-ALPS的一級(jí)激光光源、二級(jí)阿秒光源和后續(xù)應(yīng)用

表5 同步輻射(Sychrotrons)、自由電子激光器(FEL)、現(xiàn)有的氣體高次諧波(GHHG)、和ELI-ALPS的三條束線產(chǎn)生的XUV、X-Ray的比較

三、總結(jié)

ELI-ALPS提供獨(dú)特的一級(jí)激光光源和二級(jí)阿秒脈沖，高重頻、高通量和穩(wěn)定，這些特點(diǎn)將有利于超快動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的開展。

筆者最后想提及一下國(guó)內(nèi)的超快領(lǐng)域。北京、上海、西安、武漢等地，也在建設(shè)各種阿秒光源。阿秒光源(深紫外~軟X射線)的基礎(chǔ)是高性能的超快超強(qiáng)激光(可見~紅外波段)和相匹配的光學(xué)元器件，目前，國(guó)外產(chǎn)品占國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的比重比較高。

從科學(xué)研究上說(shuō)，中國(guó)將會(huì)擁有和世界上先進(jìn)國(guó)家同樣甚至性能更好的用戶裝置，提供給國(guó)內(nèi)和國(guó)際上的科學(xué)家使用，但這并不代表著中國(guó)在超快領(lǐng)域趕上了發(fā)達(dá)國(guó)家，不少核心設(shè)備依然來(lái)自于國(guó)外?；蛟S，大裝置的建設(shè)過(guò)程需要做一個(gè)平衡。裝置需要在有限的時(shí)間內(nèi)建成并且投入使用，所以在設(shè)備的選擇上面，需要購(gòu)買成熟、性能達(dá)到要求的國(guó)外產(chǎn)品。另一方面，如同ELI-ALPS給了不少歐洲激光公司發(fā)展技術(shù)的機(jī)會(huì)，國(guó)內(nèi)的這些裝大型裝置，也應(yīng)該能夠留下一些空間給國(guó)內(nèi)的公司。