高次谐波辐射光子的能量-激光相位关系研究

原子在强激光电场中高次谐波辐射的理论与实验研究是当今科学前沿之一.利用量子力学理论和鞍点方法,细致地研究了高次谐波辐射光子的能量与激光相位的关系.对于时间宽度无限长激光,在一个激光周期内特定相位处产生的高阶辐射(X射线)有特定的能量.能量分布在7180°处成峰,有高斯形函数的对称形状.给出了这种分布的参数化公式.对于不同宽度的飞秒激光,能量分布的成峰位置、最大值和带宽等参数会发生变化.计算表明,三个振荡周期(半高宽)的飞秒激光,当载波-包络相位为175°和105°时,可以分别得到纯净的阿秒单脉冲和双脉 关键词： 超短脉冲激光 高次谐波产生 鞍点方法 能量相位关系     

少周期激光脉冲附加太赫兹场对高次谐波发射的影响

本文通过数值求解非伯恩奥本海默近似下电子一维核一维的含时薛定谔方程,研究了少周期线偏振激光与氢分子离子相互作用下,太赫兹场的加入对高次谐波的发射影响.我们发现,在短周期线偏振激光脉冲的y方向上附加一个强度较弱的太赫兹场可以有效地扩展谐波的截止位置,并对量子轨道实现调控.通过时频分析、电子波包随时间变化以及半经典三步模型研究了高次谐波发射的物理机制,并对获得的物理现象给出合理的解释.     

一维模型原子在组合脉冲辐照下的高次谐波发射

本文采用SMT（sknple man’s theory）仔细分析了一维普薛耳-特勒势（P—T势）模型原子在高、低频组合强激光脉冲辐照下电子的动力学行为。并且，在此基础上，着力讨论了电离电子在激光脉冲策动下回核并与之复合从而发射高次谐波的平台结构，采用一种特殊设计的高、低频脉冲组合方案。使谐波发射效率较之于只用单一低频激光时的谐波发射效率提高两个数量级。     

激光驱动晶体发射高次谐波的特性研究

通过数值模拟激光驱动下电子在周期性势阱中的动力学行为, 研究了晶体在激光场中发射高次谐波的特性. 研究发现在一定的激光波长和光强驱动下, 晶体发射的谐波谱会呈现出双平台结构, 经分析后得知第一个平台主要来自于最低导带与价带间的电流(电子-空穴对复合), 第二个平台主要来源于较高导带与价带间的电流(电子-空穴对复合), 且两个平台的截止位置处的能量都与激光场的振幅呈线性关系. 在少周期激光驱动下, 晶体谐波第二平台的截止位置与激光的载波相位呈单调变化, 由此我们提出可以利用晶体谐波第二平台的截止位置来确定少周期激光的载波相位. 进一步研究发现, 在啁啾激光驱动下, 晶体发射谐波谱的第二平台有较大变化, 第二平台的发射效率会随啁啾参数而改变, 能够通过改变啁啾激光场来提高晶体谐波第二平台的发射效率.     

静电场对高次谐波时频特性的影响

通过数值求解含时薛定谔方程，发现在静电场的作用下，对原子高次谐波谱截止区附近的谐波进行叠加可以得到脉冲间隔为一个光周期的阿秒脉冲链. 利用这种性质，用12fs波长为800nm的激光附加强度为激光强度0.25%的静电场脉冲驱动He原子可以得到脉宽为220as的单个脉冲. 当静电场与激光场幅度之比达到0.39时，原子谐波谱的截止区可以被拓宽到I_p+9.1U_p，同时，次数高于I_p+0.7U_p的谐波的相位几乎是锁定的，因此可以得到谱宽大于40eV且相位锁定的谐波. 对这部分谐波进行叠加就可以得到脉宽小于100as的阿秒脉冲链.     

高次谐波发射中的超拉曼发射

本文研究了单电子分子离子与强激光场相互作用下的高次谐波发射谱。从光谱中观察到除了存在入射激光频率奇数倍的谐波谱线外,还存在其他频率的超拉曼谱线。在理论上阐明了超拉曼谱线不同于高次谐波谱线的物理产生机制。研究发现当体系初态为基态和较高激发态的叠加态时能够较清晰的观察到超拉曼谱线,从而说明激发态电子的布居对超拉曼谱线的产生起着关键作用。因此在实验上,制备一个叠加态使得电子从激发态电离,是观察到超拉曼谱线的重要条件。     

一维模型原子在组合脉冲辐照下的高次谐波发射

本文采用SMT (simple man's theory) 仔细分析了一维普薛耳-特勒势(P-T势)模型原子在高、低频组合强激光脉冲辐照下电子的动力学行为.并且, 在此基础上,着力讨论了电离电子在激光脉冲策动下回核并与之复合从而发射高次谐波的平台结构.采用一种特殊设计的高、低频脉冲组合方案,使谐波发射效率较之于只用单一低频激光时的谐波发射效率提高两个数量级.     

产生短波长高次谐波条件的优化计算

从电离的几率方程出发,得到了适用于任意激光脉冲宽度下原子的饱和激光强度和最高次光谐波光子能量与各激光参数的关系表达式,并由此给出了产生高次谐波的优化条件。解决了当超短脉冲激光的脉冲宽度小于皮秒时,产生高次谐波（HHG）的隧道电离理论中的Ammosov－Delone－Krainov方法对产生高次谐波的饱和激光强度以及最高次谐波光子能量的估算不可靠的问题。     

产生短波长高次谐波条件的优化计算

 从电离的几率方程出发,得到了适用于任意激光脉冲宽度下原子的饱和激光强度和最高次光谐波光子能量与各激光参数的关系表达式,并由此给出了产生高次谐波的优化条件。解决了当超短脉冲激光的脉冲宽度小于皮秒时,产生高次谐波（HHG）的隧道电离理论中的Ammosov－Delone－Krainov方法对产生高次谐波的饱和激光强度以及最高次谐波光子能量的估算不可靠的问题。     

双色激光脉冲相位差对晶体发射高次谐波 的影响

通过数值求解双色激光场(基频场和二倍频场)与一维晶体相互作用的含时薛定谔方程,研究了晶体在双色激光脉冲驱动下发射高次谐波的特点.研究结果表明,晶体在双色激光脉冲驱动下发射的高次谐波第二平台强度相对于单色激光脉冲驱动下有显著提高,且随双色激光脉冲的相位差明显变化.进一步的研究发现,在双色激光脉冲其它参数保持不变的情况下,通过调节双色激光脉冲的相位差就能有效提高晶体发射高次谐波第二平台的产额,提高的幅度会随激光脉冲的宽度有所不同.     

采用双脉冲提高谐波谱的谱线密度

通过计算线偏振双脉冲激光场与一维氢原子模型相互作用产生的高次谐波辐射谱的含时Schrdinger方程. 研究发现,选用适宜的双脉冲激光组合可以增加谐波谱的密度,这样的谐波谱特别适合作为产生孤立阿秒脉冲的光源. 详细地分析了谐波谱线密度增加的物理机理,给出不同脉宽与谐波谱线密度增加的关系,从而可以有针对性地控制谐波谱线的疏密程度. 关键词： 高次谐波 阿秒脉冲 双脉冲     

Bohmian mechanics to high-order harmonic generation

This paper introduces Bohmian mechanics (BM) into the intense laser-atom physics to study high-order harmonic generation. In BM, the trajectories of atomic electron in an intense laser field can be obtained with the Bohm--Newton equation. The power spectrum with the trajectory of an atomic electron is calculated, which is found to be irregular. Next, the power spectrum associated with an atom ensemble from BM is considered, where the power spectrum becomes regular and consistent with that from quantum mechanics. Finally, the reason of the generation of the irregular spectrum is discussed.     

Multi-photon resonance enhanced super high-order harmonic generation

This paper proposes highly charged ions pumped by intense laser to produce very high order harmonics.Numerical simulations and full quantum theory of Ne 9+ ions driven by laser pulses at 1064 nm in the power range of 10 9 W/cm 2 ～ 10 15 W/cm 2 show that the emission spectrum corresponds to the electronic transitions from the excited states to the ground state,which is very different from the spectrum of general high-order harmonic generation.In such situation,harmonic order as high as 1000 can be obtained without producing lower order harmonics and the energy conversion efficiency is close to general high order harmonic generation of hydrogen atom in the same laser field.     

Optimization of multi-color laser waveform for high-order harmonic generation

With the development of laser technologies,multi-color light-field synthesis with complete amplitude and phase control would make it possible to generate arbitrary optical waveforms.A practical optimization algorithm is needed to generate such a waveform in order to control strong-field processes.We review some recent theoretical works of the optimization of amplitudes and phases of multi-color lasers to modify the single-atom high-order harmonic generation based on genetic algorithm.By choosing different fitness criteria,we demonstrate that:(i) harmonic yields can be enhanced by 10 to 100 times,(ii) harmonic cutoff energy can be substantially extended,(iii) specific harmonic orders can be selectively enhanced,and(iv) single attosecond pulses can be efficiently generated.The possibility of optimizing macroscopic conditions for the improved phase matching and low divergence of high harmonics is also discussed.The waveform control and optimization are expected to be new drivers for the next wave of breakthrough in the strong-field physics in the coming years.     

Restraint of spatial distribution in high-order harmonic generation from a model of hydrogen molecular ion

The spatial distribution in high-order harmonic generation(HHG) is theoretically investigated by using a few-cycle laser pulse from a two-dimensional model of a hydrogen molecular ion. The spatial distribution in HHG demonstrates that the harmonic spectra are sensitive to the carrier envelope phase and the duration of the laser pulse. The HHG can be restrained by a pulse with the duration of 5 fs in the region from the 90 th to 320th order. This characteristic is illustrated by the probability density of electron wave packet distribution. The electron is mainly located near the nucleus along the positive-x direction from 3.0 o.c. to 3.2 o.c., which is an important time to generate the HHG in the plateau area. We also demonstrate the time-frequency distribution in the region of the positive-and negative-x direction to explain the physical mechanism.     

载波相位对超短脉冲谐波谱的影响

数值计算了线偏振的超短激光脉冲(脉冲持续时间为两个光学周期)与一维模型原子相互作用产生的高次谐波发射功率谱. 研究表明,当载波相位发生变化时,超短脉冲谐波谱的截止频率也随之改变,而且在特定相位下,谐波谱出现了明显的双平台结构. 对此,采用半经典的“三步”模型给出了合理解释,并利用小波时频分析方法证实“三步”模型可以准确预言超短脉冲谐波谱的截止频率. 关键词： 高次谐波 超短脉冲 载波相位     

A scaling law of high-order harmonic generation

Using a nonperturbative quantum electrodynamics theory of high-order harmonic generation (HHG), a scaling law of HHG is established. The scaling law states that when the atomic binding energy E_b, the wavelength λ and the intensity I of the laser field change simultaneously to kE_b, λ/k, and k³I, respectively. The characteristics of the HHG spectrum remain unchanged, while the harmonic yield is enhanced k³ times. That HHG obeys the same scaling law with above-threshold ionization is a solid proof of the fact that the two physical processes have similar physical mechanisms. The variation of integrated harmonic yields is also discussed.     

拉伸分子高次谐波产生的阿秒控制

通过数值求解一维含时薛定谔方程,本文研究了高频阿秒脉冲对拉伸双原子分子模型与低频飞秒激光脉冲相互作用产生高次谐波谱的影响.研究表明,若阿秒脉冲在低频脉冲的第二个光学周期截止处注入时,只第二个平台截止位置IP 5.6UP(IP为电离势,UP为有质动力能)附近谐波的效率得到显著提高;若阿秒脉冲的包络峰值处于低频脉冲第三个光学周期T/4(为飞秒激光脉冲的光学周期)附近时,则谐波谱出现了明显的整体抬高现象.对此,本文根据拉伸分子谐波谱的四种产生机制及阿秒脉冲在飞秒激光不同相位注入时的电子电离曲线,对这些谐波谱的结构给出了合理解释.     

超短脉冲谐波辐射过程中的量子路径分析

本文数值计算了脉宽为半个光学周期的超短脉冲在不同载波包络相位下的谐波波谱,通过比较谐波波谱截止频率与电子通过主要路径可获得的最大动能的差异,研究了超短脉冲谐波辐射过程中的量子路径。结果显示,超短脉冲谐波辐射过程中电子获得动能的量子路径偏离主要量子路径,而且该偏离效应受载波包络相位的影响。