記者10月24日從國防科技大學獲悉，該校原子分子物理研究團隊與中國科學院上海光學精密機械研究所（下稱“中科院上海光機所”）強場激光物理國家重點實驗室合作，提出了一種產生紫外超連續輻射的新機制，并將其作為探針獲得了二氧化碳隧穿電離后的吸收光譜。

該研究為產生短波區的超連續譜提供了一種新方案，同時架設起強場物理和量子光學研究的橋梁，為開展強場離子量子光學研究提供了新視角。

近期，上述成果在線發表于Nature Communications上，國防科技大學博士生雷鴻斌為論文第一作者，通訊作者為國防科技大學教授趙增秀和中科院上海光機所研究員姚金平。

量子光學遇到強場物理

調控光與物質的相互作用，在許多前沿學科中發揮著基礎性作用，不僅有助于控制物質的宏觀性質，還有助于創造最先進的光源。

一般而言，有兩種基本方法來操縱光與物質相互作用過程，即量子光學和強場物理方法。量子光學方法依賴于原子和激光場之間的共振激發，關注于光子和量子特性。強場物理方法是利用超快強激光轟擊介質，可以用軌跡和散射的半經典概念來理解其中同時涉及數百個光子作用的電子動力學。在過去的幾十年里，由于關注的系統和使用激光參數的根本差異，很少有研究涉及強場物理和量子光學的跨學科研究。

然而，超強飛秒激光脈沖制備的分子離子天然屏蔽了碰撞效應導致的皮秒時間尺度的退相干效應，在脈沖作用期間可以保持很好的量子相干性，是一種獨特的非平衡量子體系。同時，分子離子系統不僅具有豐富的振轉能級，處于紫外波段的能量間隔，同時也可以承受高強度的激光而不被破壞能級結構，產生高階非線性效應。這些特性為強場框架中研究量子光學提供了前所未有的機會。在分子離子系統中，量子光學遇到強場物理會產生新現象、新機制。

為此，研究團隊提出了一種連接量子光學與強場物理的新機制，可以產生超連續相干光源，他們將這個機制命名為激光協同連續輻射（LACE）。

激光協同連續輻射（LACE）機制示意圖

理論分析表明，強場隧穿電離制備的分子離子會暴露在強激光中，由于斯塔克效應的作用，分子離子基態到激發態的能級差大小會跟隨激光場連續變化。當能級差等于奇數個基頻光子的能量之和時，分子離子可以與泵浦激光發生多光子共振，使得處于基態的分子躍遷到激發態，并建立分子離子的相干極化。隨后，相干極化會誘導激發態的分子躍遷回到基態產生強相干輻射，其輻射波長隨躍遷波長的變化連續改變，由此形成超連續相干輻射，這種輻射過程就是激光協同連續輻射。

產生紫外超連續相干光源的新途徑

光譜范圍寬、空間發散角小的超連續相干光源在生物醫學成像、分子結構分析、光化反應探測等眾多領域具有重要應用。目前，基于自相位調制、四波混頻、交叉相位調制等傳統的三階非線性光學效應，產生可見光乃至紅外區域的超連續光源的技術比較成熟，但向紫外波段的拓展卻面臨著巨大挑戰。

為此，研究團隊利用與傳統產生超連續譜完全不同的新機制——激光協同連續輻射，提出了產生紫外波段的超連續相干光源的新方案。根據激光協同輻射機制，研究團隊利用中紅外飛秒激光轟擊空氣中普遍存在的氮分子，在紫外波段產生約100 納米帶寬的、空間發散角較小的超連續相干輻射，為短波區超連續相干光源的產生提供了新思路。

研究人員通過改變泵浦光的輸出功率、波長，發現可以驅動氮分子離子產生譜寬可調的超連續相干光源。此外，由于斯塔克效應是普遍存在于各種處于激光場中的系統的現象，因此利用合適的泵浦波長和光強驅動能級間距較大的系統，可以產生紫外甚至更短波長的超連續相干光源。此外，紫外超連續相干光源的制備豐富了超連續激光的光譜范圍，為超連續激光在光電對抗、戰場感知和有害氣體探測等方面的應用提供重要支撐。

研究團隊還發現超強飛秒激光產生的超連續輻射的時間寬度只有泵浦激光脈寬的一半，即十幾個飛秒，且具有很好的線性啁啾特性，這意味著這樣產生的超連續相干光源可能在脈沖壓縮和亞飛秒動力學探測中有著重要的潛在應用。與此同時，理論模擬表明分子離子振動態之間的躍遷會相互干涉，即超強超快的激光將躍遷的能級相干耦合在一起協同發光。

作為原理性驗證，研究團隊還展示了該紫外超連續相干光源在二氧化碳離子吸收光譜中的應用，同時測得了二氧化碳離子中多個振動能級之間的吸收光譜。

據介紹，該研究打破了量子束縛態到束縛態的躍遷將產生具有孤立特征峰光譜結構的輻射的傳統觀念，證明了強激光可以強烈地改變量子束縛態之間的躍遷和輻射特性。利用這種產生超連續相干光源的新機制，可以產生紫外波段的超連續相干光源，為解決短波區超連續產生的難題提供了簡單有效的新途徑。同時，該研究創造性地提出了激光協同連續輻射機制，架設起了強場物理和量子光學研究的橋梁，為開展強場離子量子光學研究提供了新機遇。

該論文審稿人高度評價了上述工作在LACE應用方面的演示，“這項工作顯示了一個可能的和獨特的新實驗方案，以產生寬帶的紫外相干光脈沖。”