原子分子内的电子运动时间尺度在阿秒（10-18s）量级，能够追踪和测量原子或分子中电子的运动一直是物理学家的重要目标之一。超快激光技术的出现，使得探索原子分子内电子的超快动力学行为成为可能。基于圆偏振激光的阿秒钟(attoclock)技术是实现超快激光作用下原子的电子动力学测量的一种重要的研究手段。在圆偏振激光作用下，激光电场在一个光周期[比如波长为800nm激光，光周期为2.7飞秒（10-15秒）]内旋转360度，不同时刻电离的电子波包会在动量空间上被映射到不同的发射角。通过这种基于圆偏振激光的角度分辨streaking技术，对于800 nm激光可以实现2.7飞秒/360度,即7.5阿秒/度的超高时间分辨能力，因此被称为阿秒钟。但之前的阿秒钟都是采用单束圆偏振激光实现的（激光场类于钟表的分针），无法通过光电子干涉对电子波包的相位进行测量，且阿秒钟的校准依赖于理论模型。
最近，北京大学“极端光学创新研究团队”的刘运全教授和龚旗煌院士等进一步发展了阿秒钟技术，采用同向旋转的双色（400nm + 800nm）圆偏振激光开展实验研究，实现了一种双指针阿秒钟测量技术。实验原理如图1（a）和1（b）所示，其中400nm圆偏振激光（激光电场相当于分针）是强的电离光脉冲，将电子从原子中电离，另外一束弱的800nm圆偏振激光（激光电场相当于时针）对电子波包进行测量。因为电离时刻相差一个400nm光周期的两个电子波包，将受到800nm光场的相反作用，这两个电子波包振幅和相位的变化将被映射到其干涉图案的变化中，比如[图1（c）是有无800nm光场时理论计算的光电子干涉图案]以及图1（d）是相应的电子能谱。这种干涉测量方法加上阿秒钟本身具备的时间分辨特性，使得整个测量装置可以类比于空间旋转的时域杨氏双缝实验。实验上，他们基于自行搭建的双色飞秒光场和高分辨的冷靶电子离子动量谱仪测量到了高分辨的光电子干涉图案[如图2（a）和2（b）]。进而，发展了一种基于傅里叶变换的提取电子波包振幅和相位的方法，通过电子干涉图案获得电离电子的波包信息，实验上提取的电子波包的相位和振幅如图2（c）和2（d）。该提取方案是普适的，不依赖于任何理论模型。该研究成果实现了在阿秒时间尺度上对隧穿电子波包的相干成像，将会促进强场物理中光电子干涉及全息成像研究。
图1 （a）双指针同向旋双色光场 （b）电离时刻相差一个800nm光周期的两个隧穿电子波包 （c）强场近似理论计算的单色400nm光场和双指针光场下的光电子干涉图案 （d）图（c）中沿90度出射角的光电子能谱，即图（b）中的两个电子波包的干涉条纹
图2 实验测量的光电子干涉图案[(a)单色光场；(b)双色光场]和提取的时间分辨的电子波包相位(c)和振幅(d).
研究工作发表在近期出版的物理评论快报上, [ Attoclock Photoelectron Interferometry with Two-Color Corotating Circular Fields to Probe the Phase and the Amplitude of Emitting Wave Packets,”Phys. Rev. Lett. 120, 073202 (2018)]。博士生韩猛同学是该论文第一作者。该工作得到国家自然科学基金委、科技部、“2011计划”量子物质科学协同创新中心和极端光学协同创新中心等支持。
文章链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.073202
Recently, the research group at Peking University, Prof. Yunquan Liu and Prof. Qihuang Gong, employ attosecond angular streaking with photoelectron interferometric metrology to reveal electron sub-Coulomb-barrier dynamics. They use a weak perturbative corotating circularly polarized field (800 nm) to probe the strong-field ionization by an intense circularly polarized field (400 nm). In this double-pointer attoclock photoelectron interferometry, they introduce a spatially rotating temporal Young’s two-slit interferometer, in which the oppositely modulated wave packets originating from consecutive laser cycles are dynamically prepared and interfered. Developing a Fourier-transform algorithm on energy-resolved photoelectron interferograms, they can directly extract the amplitude and the phase of emitting electron wave packets from strong-field ionization. (Phys. Rev. Lett. 120, 073202 (2018).
