可调谐少周期真空紫外脉冲的时间表征及其在超快动力学中的应用

《Nature Photonics》：Temporal characterization of tunable few-cycle vacuum ultraviolet pulses

本文针对深紫外(DUV)和真空紫外(VUV)区域少周期脉冲时间表征难题，研究人员通过共振色散波发射结合基于双光子电离的电子频率分辨光学门控(eFROG)技术，首次实现了160-190 nm可调谐VUV脉冲的完整时域表征。实验证实脉冲持续时间短于3 fs，脉冲能量达微焦耳量级，为研究原子分子中超快电子动力学和价电子激发提供了前所未有的时间分辨率。

　　

在超快激光技术蓬勃发展的数十年间，科学家们对光与物质相互作用的理解取得了革命性突破。从可见光到中红外光谱区域的少周期光源，以及阿秒极紫外和X射线技术的涌现，使得在物质自然时间尺度上直接观测和控制超快电子动力学成为可能。然而，在深紫外(4-6 eV, 300-200 nm)和真空紫外(6-12 eV, 200-100 nm)光谱区域，少飞秒脉冲的时间表征始终面临着严峻挑战。这一技术瓶颈严重制约了科学家在该光谱区域研究超快电子动力学的能力，特别是对大多数材料中普遍存在的电子共振现象的研究。

究其根源，紫外光谱区域内普遍存在的电子共振导致了线性吸收增加和高色散，这对时间分辨率产生了严重影响——初始短脉冲在传播过程中会被展宽为长脉冲。实践中，任何材料作为传播介质都难以承受，使得超短紫外脉冲的处理变得异常困难。尽管少数研究组通过标准非线性光学方法在深紫外区域实现了微焦耳级飞秒脉冲，但缺乏光谱可调谐性仍是主要限制因素。

针对这一挑战，由José R.C. Andrade和Martin Kretschmar共同领导的研究团队在《Nature Photonics》上发表了创新性研究成果。他们通过毛细管中孤子自压缩过程中的共振色散波发射，成功生成了160-190 nm可调谐的微焦耳能量VUV脉冲，并利用基于惰性气体中双光子光电离的频率分辨光学门控技术，首次实现了对这些脉冲时间形状的完整表征。

关键技术方法包括：采用级联毛细管装置产生可调谐VUV脉冲，通过孤子自压缩和共振色散波发射机制；开发电子频率分辨光学门控(eFROG)技术，利用双光子电离过程记录延迟依赖的光电子动能分布；建立启发式模型处理自电离态和自旋轨道分裂对测量的影响；采用差分进化算法进行相位检索，确保脉冲重建的准确性。

脉冲生成与表征系统

研究团队设计了精密的实验装置，采用钛蓝宝石激光器产生的800 nm脉冲经过两级压缩过程。首先通过氩气填充的拉伸柔性空心光纤将37 fs脉冲压缩至10 fs，随后注入氦气填充的第二级毛细管，在此发生孤子自压缩和共振色散波发射。关键创新在于采用逆压力梯度模式，在波导入口施加高达2 bar的氦气压力，而输出端直接连接真空光束线，形成逐渐降低的压力分布。

eFROG测量原理与挑战

表征方法的核心是基于双光子光电离的电子频率分辨光学门控技术。该技术通过测量两脉冲副本间延迟变化时的光电子动能分布来重建脉冲时域特性。研究面临的主要挑战来自稀有气体原子的复杂原子结构——自旋轨道分裂导致两个电离阈值，且宽谱VUV脉冲可能激发自电离态。

算法验证与性能测试

为验证表征方法的可靠性，团队进行了严格的测试。首先将测量轨迹与检索轨迹对比，显示启发式模型能准确捕捉光电离机制特征。进一步通过求解含时薛定谔方程进行第一性原理计算，将检索得到的电场作为输入模拟eFROG轨迹，再进行相位检索。结果显示脉冲形状和光谱相位都能高保真度地重现已知输入形状，均方根场误差处于低值水平。

VUV脉冲时域特性

对160-190 nm可调谐VUV脉冲的系列测量揭示了一致的时域特性：所有脉冲形状相似，均呈现轻微啁啾，这主要源于生成过程和毫巴压力下稀薄气体介质中的传播效应。脉冲持续时间（半高全宽）大多短于3 fs，唯一例外是中心波长190 nm的脉冲持续时间略有增加，但同时其VUV脉冲能量翻倍，达到峰值功率约0.8 GW。

模拟与实验对比

通过Luna库求解考虑前四个本征模的空心波导中单向脉冲传播方程，模拟结果与测量数据表现出优异的一致性。有趣的是，滤波后的基模与测量结果吻合度更高，这归因于长距离传播过程中导向镜有限孔径的滤波效应。

实验验证与相位测量

作为方法验证的关键实验，研究团队测量了10 μm薄熔融石英片引入的相位变化。通过比较插入石英片前后的检索相位差与理论计算值，发现两者吻合度令人印象深刻。仅在170 nm以下波长区域观察到轻微偏差，该处熔融石英吸收系数迅速增加导致脉冲畸变。

研究结论强调，这项突破性工作解决了VUV光谱区域少周期脉冲表征的长期挑战，首次实验证实了通过共振色散波发射产生的VUV脉冲确实能达到少飞秒持续时间。开发的eFROG技术普遍适用于短至少飞秒持续时间的VUV脉冲表征，为在VUV区域进行泵浦-探测实验提供了关键技术基础。

该研究的科学意义在于开启了利用少周期VUV脉冲研究电子激发分子中耦合电子和核运动的新纪元。良好表征的少周期VUV脉冲为研究早期时间动力学提供了前所未有的时间分辨率，目前研究团队正在进行一系列小分子实验，预计将揭示光激发分子早期动力学的全新物理图像。