自本世纪初超快科学进入阿秒领域以来，阿秒脉冲以其超宽频谱和超短时间分辨，为研究阿秒时间尺度的瞬态过程提供了有力工具，推动了人们对光与物质相互作用以及微观超快动力学机制的理解。基于高次谐波的单个阿秒脉冲产生技术已日臻成熟，通过发展多种时空选通门技术，阿秒脉冲脉宽不断缩短，已达到的最短纪录为43 as。相较于阿秒脉冲的产生，对其精确测量与表征是深入研究和应用的基础，目前主流表征方法是通过阿秒条纹相机技术测量获得条纹能谱，进而从中提取阿秒脉冲的时域信息。首先简要回顾了高次谐波产生、单个阿秒脉冲选通及测量的发展，然后介绍了阿秒条纹相机技术的原理，并重点阐述了基于阿秒条纹能谱的表征算法，对其主要优缺点进行分析，最后对阿秒脉冲表征的发展进行了总结和展望。

激光雷达可以准确、快速获取目标的三维(3D)空间信息,是一种常用的高分辨率成像技术。结合高频脉冲激光器、条纹相机以及信号处理技术,设计了一套激光雷达3D成像系统。其中,脉冲激光具有高峰值功率的特点,可以有效探测远距离目标物。相比高频微波调制的激光脉冲,结合脉冲压缩和法布里-珀罗腔振荡可以获得高能量的激光脉冲。条纹相机是一种具有快速微弱光探测能力的高速相机,可对远距离目标进行探测。采用均值滤波和邻域均值滤波方式抑制条纹相机的背景噪声,采用带通滤波和匹配滤波抑制低频噪声、提高信噪比,根据噪声的强度分布,用阈值滤波滤除剩余噪声,最终获得高精度的3D目标图像。在空气、烟雾中的3D目标成像实验结果表明,本系统具有较高的距离分辨率和目标细节捕捉能力。

基于极紫外波段高次谐波产生(high-order harmonic generation, HHG)的光学选通技术已成为目前人们获得孤立阿秒脉冲(isolated attosecond pulse, IAP)的重要手段。由于IAP继承了驱动激光脉冲的光学属性和重复频率,因此具有良好的时空相干性和方向性。近转换极限极短脉宽IAP的产生不仅需要在极紫外区域有较宽的连续光谱支持,还需要对其所携带的本征色散进行补偿。据此,本文从理论上模拟计算了多组阿秒脉冲光谱、本征色散和金属膜材料色散的参数组合,在中心光谱98,120,170 eV附近的结果表明,选用不同厚度的锆膜、钼膜和锡膜对应中心能量的高次谐波可以实现色散补偿。最终确定120 eV中心光子能量加钼膜的组合有可能在较高的产生效率下产生近40 as的IAP。基于上述参数选择,设计了一套由非共线阿秒条纹相机和平场光谱仪组成的极紫外阿秒束线及相应的真空系统,该系统可用于高次谐波及阿秒脉冲的测量。

为了精确地测量阿秒脉冲的特性,自主研制了一套具有高能量分辨率的阿秒条纹相机,该相机采用了电子飞行距离长达2 m的磁瓶式结构电子飞行时间谱仪,可在提高能量分辨率的同时具有较高的光电子收集效率;在该设备的光路系统中实现了NIR飞秒脉冲与XUV阿秒脉冲延时扫描的稳定精度<20 as(均方根)。实验中采用双光选通门技术整形飞秒脉冲的光电场,在氖气池中产生了孤立阿秒脉冲。利用上述阿秒条纹相机测量该脉冲,获得了阿秒光电子条纹谱,通过基于单频滤波的相位重构算法得到159 as的孤立阿秒脉冲。

分别介绍了不同类型的条纹管超高速探测器件、组件的工作原理、结构组成和基本性能参数。详细论述了两种典型结构条纹管器件的结构特点,工作原理, 空间分辨率和时间分辨率测试。此外, 还介绍了两种条纹管组件的结构, 工作原理和实际测试结果。条纹管器件和组件采用独特的结构设计、实现超高速时空转换, 获得了皮秒级乃至飞秒级的时间分辨率, 是目前时间分辨率最高的光电探测器件。基于高时间分辨率性能的拓展, 条纹管器件和组件在惯性约束、激光雷达和科学研究等超高速探测领域具有广泛的应用前景。