一、ELI-ALPS：一级光源超短脉冲激光

自由电子激光器、同步辐射等光源在国际上十分普遍，这些光源提供独特参数的光给用户使用。在这些光源工作的科学家有一大部分是激光专家，而用户很多来自化学、生物、凝聚态物理等领域。这些用户在大型光源预约Beam Time，然后光源会给出一个固定的时间让他们做实验。

基于高次谐波的阿秒光源，目前为止，主要是由各个实验室，各个单独的PI来运行，体积小Table-Top是它的一个优点，科学家们可以在自己的实验室做实验，这样就没有Beam Time时间的限制。

但是，一方面，阿秒脉冲的参数的进一步提高，伴随着激光器的性能的进一步增强，所导致人力成本和资金成本的进一步攀升；另一方面，阿秒时间分辨的试验装置的复杂程度也在进一步变高，使得非激光专业的人独立开展试验的难度加大。

这个问题有两个解决方案，一是由单PI小组，变成多个研究小组的(研究所/研究中心)联合形式，比如德国柏林的马克思波恩非线性光学研究所(Max Born Institute – MBI)，激光装置、实验装置和用户都是自己。另一个就是ELI-ALPS，借鉴自由电子激光器、同步辐射的方案，提供阿秒光源给外部用户使用。

图1 国际上研究机构使用的超短脉冲激光，这些激光被用来产生高通量高重频阿秒光源。

图1给出了目前国际上几个研究机构的超短脉冲激光的参数，可以看见，MBI拥有重复频率100kHz单脉冲能量100uJ这样的超短脉冲激光。这里要指出，表中给出的研究单位是不全的，比如瑞典的Lund University也拥有类似参数的激光器。对于泵浦探测试验，科学家们希望的是高的光通量，因此，希望单脉冲能量尽量高，这就是图1中左上角的区域；对于Coincidence Measurement，科学家们希望比较弱的单发激光强度以得到比较干净的实验数据，但是，过弱的激光会导致信噪比很低，因此，需要在同样的时间内记录足够多的样本数，也就是说，需要高的激光重复频率，这就是图1中右下角的部分。

总的来说，ELI-ALPS的激光系统的总体目标是在单脉冲能量足够的前提下，提高重复频率。动机很简单，重复频率越高，意味着每秒钟得到的脉冲就越多，这样同一个实验花的时间就越少。比如，1kHz系统100天能完成的试验，使用100kHz系统，1天就完成了。图1中给出了ELI-ALPS中不同激光系统的大体参数空间，下面会分别作介绍。

1.1 High repetition rate laser system (高重频激光系统) 

这套激光的单脉冲能量在mJ量级，重复频率100kHz，具体参数见表1；目前类似的商用激光激光参数是，1kHz，几个mJ. 

图2给出了这套激光的结构图。CEP稳定的fiber oscillator给出80MHz，中心波长在1030 nm，单脉冲能量nJ量级的激光；声光调制器将重频降至100kHz，经过量级预放(pre-amplifier systems, LPF-large pitch fibers, 65um core diameter), 单脉冲能量放大至0.1uJ；经过光栅展宽器，展宽至2ns，在经过8通道的光纤放大器，每个LPF放大通道使用80W的泵浦激光，8个通道的激光最后相干合成为一束，并经过压缩器，得到200fs，3mJ的激光，在经过两级的空心光纤压缩器，最后可以得到1mJ量级、100kHz的周期量级超短脉冲激光。未来单脉冲能量将被升级至5mJ。

表1. 高重频激光激光的激光参数

图2 高重频激光系统

1.2 Single cycle laser system (单周期激光系统)

第二套激光系统的参数见表2，这套系统最后可以得到单脉冲45mJ的周期量级的激光，重复频率1kHz；目前市场上的类似系统参数是1kHz，几个mJ.

结构见图3，Yb-based oscillator 和再生放大器组成fs-CPA，产生1.5mJ(1030 nm)的激光作为前级；振荡器分出一部分1064 nm作为皮秒泵浦激光的种子；再生放大器出射激光的10%注入fs-OPA，产生CEP稳定的1.3~1.5um 的idler作为fs-NOPA的种子; fs-NOPA的输出光经过棱栅和Dazzler组成的展宽器，被展宽至75ps(0.5uJ)；接下来进过多级BBO-Based NOPA系统，被放大；经过压缩以后，可以得到45mJ，小于10fs的激光。

表2. 单周期激光系统的参数

图3. 单周期激光系统结构图

1.3 High Field laser system (强场激光系统)

激光参数见表3，参数是2PW，10Hz; 目前国内和国际上已有多套PW系统，大多重复频率较低。这里要指出的是，ELI-ALPS的关注目标是原子、分子体系，也就是核外，所需要的激光光强并不是很高，因此，对于PW级别的激光，目标是提高重复频率，而不是提高单脉冲能量。ELI的另外几个pillars，比如Nuclear Physics，会要求更高的激光功率。

,前级激光和传统的钛宝石方案有所不同。光纤激光器得到2mJ, 1030nm，sub-ps的激光脉冲；其中的一部分产生白光超连续，并且使用差频的方法得到CEP稳定的激光，倍频得到1600nm的激光，经过OPA放大以后，再倍频，得到800nm激光。

第一套强场激光系统HF-PW，前级的一部分激光经过基于钛宝石的OPCPA系统，最后得到10Hz，2PW的激光，结构参见图4。

另一套激光系统HF-100，目前还在设计阶段，很可能使用OPCPA, polarization encoded CPA Scheme和thin disk Ti:Sapphire的混合方案，结构参见图4。

表3. 强场激光系统的参数 

图4 强场激光系统结构图

1.4 Mid-infrared laser system (中红外激光系统)

这套激光系统参数见表4，输出3um，100kHz，单脉冲能量150uJ。结构见图5，光纤振荡器的种子进入两套放大系统，一是基于光线的CPA系统(Yb FCPA)(300 fs, 200uJ)，另外一套是二极管泵浦的全固态激光器(DPSSL)(1 ps, 2 mJ). 第一套放大器通过差频的方式产生CEP稳定的3um激光，然后再被第二套放大器放大，得到3um, 100kHz, 150 uJ的激光。同时还输出CEP浮动的1.4~1.75 um, sub-100fs, 100uJ的激光。 

表4 中红外激光系统参数

图5 中红外激光系统结构图

二、ELI-ALPS：二级光源阿秒脉冲

ELI-ALPS的目标是提供高重频、高通量、稳定的阿秒脉冲给用户使用，并不追求阿秒脉冲的极端参数。在前面提到过，目前阿秒脉冲光子能量可以达到数千电子伏特，脉冲宽度几十阿秒；ELI-APLS的目标参数是百电子伏特和几百阿秒。

ELI-ALPS实验室的结构见图6，高重频激光HR，中红外激光MIR，单周期激光SYLOS，THz激光，强场激光HF都位于单独的房间内，二级阿秒光源和实验区域主要分成三部分，(1)利用HR和SYLOS的气体高次谐波(GHHG); (2) 利用SYLOS的电子源(e-)和表面等离子体高次谐波(SHHG); (3)利用强场激光的粒子源和表面等离子体高次谐波. 图7给出了一级光源、二级光源和后续的应用.

表5给出了不同装置产生的XUV、X-ray脉冲的比较，可以看见，自由电子激光器FEL的优势是高的光通量，单脉冲能量能够达到100uJ量级；而高次谐波HHG的优势是脉冲短，百阿秒到几十阿秒量级。

利用ELI-ALPS的阿秒光源，科学家们能利用各种测量手段以及进行超快动力学探测。这些测量装置有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。

图6 ELI-ALPS的激光系统和阿秒实验室

图7 ELI-ALPS的一级激光光源、二级阿秒光源和后续应用

表5 同步辐射(Sychrotrons)、自由电子激光器(FEL)、现有的气体高次谐波(GHHG)、和ELI-ALPS的三条束线产生的XUV、X-Ray的比较

三、总结

ELI-ALPS提供独特的一级激光光源和二级阿秒脉冲，高重频、高通量和稳定，这些特点将有利于超快动力学实验的开展。

笔者最后想提及一下国内的超快领域。北京、上海、西安、武汉等地，也在建设各种阿秒光源。阿秒光源(深紫外~软X射线)的基础是高性能的超快超强激光(可见~红外波段)和相匹配的光学元器件，目前，国外产品占国内市场的比重比较高。

从科学研究上说，中国将会拥有和世界上先进国家同样甚至性能更好的用户装置，提供给国内和国际上的科学家使用，但这并不代表着中国在超快领域赶上了发达国家，不少核心设备依然来自于国外。或许，大装置的建设过程需要做一个平衡。装置需要在有限的时间内建成并且投入使用，所以在设备的选择上面，需要购买成熟、性能达到要求的国外产品。另一方面，如同ELI-ALPS给了不少欧洲激光公司发展技术的机会，国内的这些装大型装置，也应该能够留下一些空间给国内的公司。