圆偏振阿秒脉冲激光的体积有望大大缩小

图1 输出谐波的形状

原子能以多种不同方式构成分子，因此原子组分相同的分子，其原子的排列方式也可能有所不同——即异构体。有些分子的两种异构体，其结构彼此对称，这样的分子叫做手性分子。科学家们对于手性分子的研究兴趣非常浓厚，因为其具有独特的性质。以青霉素为例，一种青霉素分子能够挽救生命，而另一种手性分子则可能有致命危险。

科学家们使用超短脉冲照射分子，在特性时间内拍摄视频，以研究分子的结构或组成。这种超短脉冲尺度为阿秒，1阿秒是10的负18次方秒。研究手性分子所使用的光必须是圆偏振光。

手性分子不同排列对圆偏振光的响应不同，根据不同的响应可以区分不同的手性分子。尽管偏振阿秒脉冲是研究手性分子的有力工具，但是产生这种脉冲的过程非常复杂，成本高昂，且需要的巨大的设备。

在Gopal Dixit教授的主导下，印度理工学院的研究人员提出了一种理论方案，有望制造出小型、台面式圆偏振阿秒脉冲激光。所提出的方案是使用单频和双频激光对照射石墨烯等固体材料，产生高频短脉冲。方案对于单频和双频光的相对强度不作要求，能容忍光源强度的变化。

光波是横波，振动方向垂直于传播方向，即波边向前传播边上下振动。振动方向可以是垂直向、水平向，又或以任何角度振动。当沿着传播方向观察、振动角度顺时针或逆时针旋转时，这种光被称为左旋或右旋的圆偏振光。

研究人员利用一种被称为高谐波产生的现象生成阿秒尺度的脉冲。当被称为驱动场的高强度激光脉冲，照射在氪气等材料上时，氪原子中的电子吸收光后被赋能；而当电子回到初始状态时，会发出含有高次谐波的辐射——频率可达原始驱动激光频率的几百倍甚至几千倍。频率的成倍增加，意味着脉冲的长度随之成倍缩短。最终得到的极短脉冲只有几阿秒长。

然而这种方法的问题在于，圆偏振驱动激光脉冲不能保证产生强度足够高的圆偏振阿秒脉冲。

“在研究手性和磁性相关现象时，光的圆偏振方向必须可控。产生研究所需的圆偏振激光脉冲非常困难，”Prof Dixit教授解释道。使用激光照射石墨烯等固体材料，能获得比使用气体强度更高的圆偏振光脉冲；同时，使用固体材料还能够实现对输出光脉冲偏振的控制，且缩小了光源体积。

早期方案使用的是偏振方向相反的单频和双频对来产生圆偏振高次谐波。这一方案产生的光脉冲对偏振方向与源激光对相同，相邻谐波的频率偏振方向相反。但是这一方案缺少三倍于源频率的频率。改变源激光的频率强度和引入不同偏振的额外脉冲等各种方案，都无法实现对阿秒激光圆偏振的理想控制。

印度理工学院的方案使用的则是具有相同圆偏振方向的单频和双频对的激光。该团队设计了一种使用非旋转对称的单频和双频对激光源的特殊方案，这种设计产生的所有高谐波都具有相同的偏振方向，且不受单源和双源频率的相对强度影响。

研究人员用计算机仿真分别模拟了早期方案及他们所提出方案获得的频谱。结果显示，他们的方案对驱动激光脉冲的强度和相位变化的具有鲁棒性。这一方案能推广至其他具有六角形晶格的二维材料和其他固体材料中。研究人员说，这一工作将有助于“观察分子和固体在自然时间尺度上的手性光-物质相互作用”。

此篇文章发表于Physical Review Applied。文章见：Navdeep Rana et al, Generation of Circularly Polarized High Harmonics with Identical Helicity in Two-Dimensional Materials, Physical Review Applied (2022). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.18.064049。