强激光等离子体相互作用驱动高次谐波与阿秒辐射研究进展

对超快过程的探测和控制决定了人类在微观层面认识和改造物质世界的能力.阿秒光源可完成对组成物质的电子运动及其关联效应进行超高时空分辨的探测和操控,为人类认识微观世界提供了全新手段,被认为是激光科学史上最重要的里程碑之一.世界主要科技强国都将阿秒科学列为未来10年重要的科技发展方向.利用强激光与物质相互作用产生高次谐波是突破飞秒极限实现高亮度阿秒脉冲辐射的重要方案之一,成为了近年来激光等离子体领域的研究热点.本文聚焦强激光与等离子体相互作用中的高次谐波和阿秒脉冲辐射,主要介绍其产生机制、研究进展和前沿应用,并对未来的发展趋势和创新突破进行展望.     

强短脉冲辐照叠加态原子增强阿秒脉冲强度

采用强短激光脉冲辐照叠加态原子提高孤立阿秒脉冲的强度。数值研究表明,与强短脉冲 (脉冲宽度只有几个光学周期的超短脉冲）辐照基态原子获得孤立阿秒脉冲相比,采用叠加 态原子的方案不仅同样可以获得孤立的阿秒脉冲,而且阿秒脉冲的强度得到显著增强。     

强短脉冲辐照叠加态原子增强阿秒脉冲强度

采用强短激光脉冲辐照叠加态原子提高孤立阿秒脉冲的强度.数值研究表明,与强短脉冲(脉冲宽度只有几个光学周期的超短脉冲)辐照基态原子获得孤立阿秒脉冲相比,采用叠加态原子的方案不仅同样可以获得孤立的阿秒脉冲,而且阿秒脉冲的强度得到显著增强.     

强场超快激光驱动的液体高次谐波研究

强场超快激光与自然界四种物态(气体、固体、液体、等离子体)的物质非线性相互作用,均可辐射出光子能量为基频光几十甚至上百倍的电磁波,即高次谐波。高次谐波是强场物理领域一个非常重要的研究方向,是阿秒科学的基石。目前,气体、固体和等离子体高次谐波的研究已比较深入,其产生的实验条件和相关的物理机制较为清楚,而液体高次谐波的发展较为缓慢。由于液体体系的复杂性,实验和理论研究都具有很大的挑战性。文章将回顾液体高次谐波领域的实验进展,并从统计学的角度出发,介绍作者在相关物理机制的理论探索方面的结果,展望液体高次谐波领域未来的发展前景。     

利用43飞秒的强激光脉冲实现单个阿秒脉冲输出的新机理

研究了多个光周期的长脉冲(43 fs)激光与氖原子相互作用产生的高次谐波的辐射特性. 通过计算机数值模拟，发现当激光场的强度超过饱和光强时，原子将会在几个光周期内被迅速电离，使得原子的高次谐波谱在截止区呈现出平滑的多平台结构. 同时，在高频波段离子产生的高次谐波的影响将变得十分显著. 通过选取合适的子平台进行频率叠加，在消除了离子的高次谐波的影响后，可以获得单个的阿秒软X射线脉冲. 关键词： 高次谐波 阿秒脉冲     

原子在红外激光场中产生高次谐波及阿秒脉冲随波长的变化规律

利用强场近似理论,研究了在长波红外激光场(波长800—2000 nm)驱动下氢原子产生的高次谐波,分析了在截止位置附近高次谐波的转换效率随激光波长的变化规律.发现在截止位置附近原子发射高次谐波的转换效率比平台区域的转换效率低,但获得的阿秒脉冲的宽度会随波长的增大而缩短. 关键词： 强场近似 高次谐波 阿秒脉冲     

组合脉冲的相对相位对谐波谱截止位置的影响

通过数值求解一维含时薛定谔方程,本文研究了组合脉冲与氢原子模型相互作用的高次谐波谱,组合脉冲由基频钛宝石激光和它的二次谐波构成. 研究发现,当两束脉冲之间的相对相位取值不同时,谐波谱的截止位置呈现较大差异. 对此,采用半经典的“三步”模型给出了合理的分析. 本文的数值结果表明,尽管双色谐波谱的结构复杂,截止频率不能用一个简单的公式表示,但通过“三步”模型计算同样能准确预言出截止频率.     

7 fs超快强激光驱动Ar原子产生支持单个阿秒脉冲的高次谐波连续谱

采用脉冲宽度为7 fs,脉冲能量为0.4 mJ的超快强激光脉冲与气体盒子中Ar原子作用获得了高次谐波截止区连续谱,并发现当驱动激光稳定在不同的载波包络相位时,高次谐波的谱结构、谱调制深度和连续谱的带宽都有很大区别。在某些载波包络相位时获得了平滑的连续谱,调制深度小于17%,连续带宽达10 eV,从而支持时域上获得变换极限500 as的单个阿秒脉冲。     

极化门控制下中红外激光场驱动He原子产生的单个阿秒脉冲

由中红外激光场(波长为2128nm)驱动He原子,在极化门的控制下,通过强场近似方法(SFA)研究了He原子发射高次谐波的特点.研究表明,在这种组合场驱动下He原子可产生截止位置很高的高次谐波,并且在接近截止位置的平台区展现了超连续的特点,对该超连续部分的高次谐波进行叠加,可得到宽度为44.5as的单个超短脉冲.为了了解该超短阿秒脉冲的产生机理,我们对高次谐波谱的发射过程进行了时频分析,分析表明由于极化门的存在,有效地抑制了极化门以外的阿秒脉冲的发射,从而获得单个阿秒脉冲.     

极化门控制下中红外激光场驱动He原子产生的单个阿秒脉冲

由中红外激光场（波长为2128nm）驱动He原子,在极化门的控制下,通过强场近似方法(SFA)研究了He原子发射高次谐波的特点.研究表明,在这种组合场驱动下He原子可产生截止位置很高的高次谐波,并且在接近截止位置的平台区展现了超连续的特点,对该超连续部分的高次谐波进行叠加,可得到宽度为44.5as的单个超短脉冲．为了了解该超短阿秒脉冲的产生机理,我们对高次谐波谱的发射过程进行了时频分析,分析表明由于极化门的存在,有效地抑制了极化门以外的阿秒脉冲的发射,从而获得单个阿秒脉冲．     

利用三色组合脉冲激光获得孤立阿秒脉冲发射

孤立阿秒脉冲因可以跟踪和控制原子及分子内电子的运动过程而备受关注.本文从理论上开展了氦原子在3束飞秒脉冲激光组合场辐照下产生的高次谐波和阿秒脉冲辐射的研究.组合激光场由16 fs/1600 nm,15 fs/1100 nm和5.3 fs/800 nm的钛宝石脉冲构成.与前两束脉冲合成的双色场产生谐波谱相比,附加钛宝石脉冲的三色场产生的高次谐波发射谱呈现出高转换效率及宽带超连续特性,超连续谱范围覆盖从230—690次谐波,傅里叶变换后实现了128 as高强度孤立短脉冲的产生.该结果归因于合成的三色场呈现出高功率及少周期的中红外飞秒脉冲激光特性,可以有效控制原子电离以及复合发生在中红外飞秒脉冲的一个有效光学周期内.     

High-order harmonic generation with a two-color laser pulse

We theoretically investigate the electron dynamics of the high-order harmonics generation process by combining a near-infrared 800 nm driving pulse with a mid-infrared 2000 nm control field. We also investigate the emission time of harmonics using time-frequency analysis to illustrate the physical mechanisms of high-order harmonic generation. We calculate the ionization rate using the Ammosov-Delone-Krainov model and interpret the variations in harmonic intensity for different control field strengths and delays. We find that the width of the harmonic plateau can be extended when the control electric field is added, and a supercontinuum from 198 to 435 eV is generated, from which an isolated 61-as pulse can be directly obtained.     

High-order harmonic generation with a two-color laser pulse

We theoretically investigate the electron dynamics of the high-order harmonics generation process by combining a near-infrared 800 nm driving pulse with a mid-infrared 2000 nm control field.We also investigate the emission time of harmonics using time-frequency analysis to illustrate the physical mechanisms of high-order harmonic generation.We calculate the ionization rate using the Ammosov-Delone-Krainov model and interpret the variations in harmonic intensity for different control field strengths and delays.We find that the width of the harmonic plateau can be extended when the control electric field is added,and a supercontinuum from 198 to 435 eV is generated,from which an isolated 61-as pulse can be directly obtained.     

High-order harmonic generation of the cyclo[18]carbon molecule irradiated by circularly polarized laser pulse

High-order harmonic generation of the cyclo[18]carbon (C₁₈) molecule under few-cycle circularly polarized laser pulse is studied by time-dependent density functional theory. Compared with the harmonic emission of the ring molecule C₆ H₆ having similar ionization potential, the C₁₈ molecule has higher efficiency and cutoff energy than C₆ H₆ with the same laser field parameters. Further researches indicate that the harmonic efficiency and cutoff energy of the C₁₈ molecule increase gradually with the increase of the laser intensity of the driving laser or decrease of the wavelength, both are larger than those of the C₆ H₆ molecule. Through the analysis of the time-dependent evolution of the electronic wave packets, it is also found that the higher efficiency of harmonic generation can be attributed to the larger spatial scale of the C₁₈ molecule, which leads to a greater chance for the ionized electrons from one atom to recombine with others of the parent molecule. Selecting the suitable driving laser pulse, it is demonstrated that high-order harmonic generation in the C₁₈ molecule has a wide range of applications in producing circularly polarized isolated attosecond pulse.     

中红外组合激光场产生低于50阿秒的单个脉冲

研究了氦离子在中红外组合激光场作用下的高次谐波辐射和孤立阿秒脉冲的产生.研究结果表明,当主脉冲强度相对低时,谐波截止在657阶次处,形成一个宽度为287eV的连续谱.当主脉冲强度相对高时,可使谐波截止拓展到1795阶次,连续谱加宽到834eV.在两种情况下,我们实现了长量子路径选取,并且产生转换效率较高的连续谱.特别是对于相对高的激光强度,叠加450～1590阶次内任意87eV的谐波都可以直接得到50as以内的单个脉冲.     

利用相位啁啾单色中红外激光场产生高次谐波

本文通过求解薛定谔方程,理论探索了高次谐波及孤立阿秒脉冲在相位调制的单色中红外激光场中的产生.研究结果表明,通过加入含时相位啁啾小量,能够有效的提高高次谐波的产生效率,获得超宽平台谐波谱及超短孤立阿秒脉冲.特别是在相位为0.3π的基础上,同时加入啁啾小量βt,在β=0.3时,可得到带宽为822 e V的超连续高次谐波平台.最后通过叠加第二平台高次谐波,可得到带宽仅为2.7 as的孤立阿秒脉冲.且脉冲强度比没有加入啁啾小量的情况下显著增强.     

中红外组合激光场产生低于50阿秒的单个脉冲

研究了氦离子在中红外组合激光场作用下的高次谐波辐射和孤立阿秒脉冲的产生. 研究结果表明,当主脉冲强度相对低时,谐波截止在657阶次处,形成一个宽度为287 eV的连续谱. 当主脉冲强度相对高时,可使谐波截止拓展到1795阶次,连续谱加宽到834 eV. 在两种情况下,我们实现了长量子路径选取,并且产生转换效率较高的连续谱. 特别是对于相对高的激光强度,叠加450—1590阶次内任意87 eV的谐波都可以直接得到50 as以内的单个脉冲.     

不均匀场中氢分子离子高次谐波产生的理论研究

在非Born-Oppenheimer近似下,通过求解含时薛定谔方程的方法,对氢分子离子在不均匀场中高次谐波的产生进行了理论研究.计算结果显示,同均匀场相比,电离的电子在不均匀场中加速会获得更多的能量,从而更有利于得到宽频谱.此外,通过优化不均匀场中的空间不均匀度,长量子路径被明显的抑制,最终通过叠加110阶到150阶谐波,获得一个60as的孤立阿秒脉冲.同时,通过库仑势和激光场的相互作用势以及时频分布图解释了其中的物理机制.     

不均匀场中氢分子离子高次谐波产生的理论研究

在非Born-Oppenheimer近似下,通过求解含时薛定谔方程的方法,对氢分子离子在不均匀场中高次谐波的产生进行了理论研究.计算结果显示,同均匀场相比,电离的电子在不均匀场中加速会获得更多的能量,从而更有利于得到宽频谱.此外,通过优化不均匀场中的空间不均匀度,长量子路径被明显的抑制,最终通过叠加110阶到150阶谐波,获得一个60as的孤立阿秒脉冲.同时,通过库仑势和激光场的相互作用势以及时频分布图解释了其中的物理机制.