Войти
Спектр неона Источник ГВГ, управляемый титан-сапфировым лазером Генерация высоких гармоник (ГВГ ) - это нелинейный процесс, во время которого мишень (газ, плазма или твердый образец) освещенный интенсивным лазерным импульсом. В таких условиях образец будет излучать высокие гармоники пучка генерации (выше пятой гармоники). Из-за когерентного характера процесса генерация высоких гармоник является необходимым условием аттофизики.
Генерация пертурбативной гармоники - это процесс, при котором лазерный свет с частотой ω и энергией фотона ħω можно использовать для генерации новых частот света. Вновь сгенерированные частоты являются целыми кратными nω частоты исходного света. Этот процесс был впервые открыт в 1961 году Franken et al. С использованием рубинового лазера с кристаллическим кварцем в качестве нелинейной среды.
для генерации гармоник в диэлектрические твердые тела хорошо изучены и широко используются в современной лазерной физике (см. генерация второй гармоники ). В 1967 г. New et al. наблюдал генерацию первой третьей гармоники в газе. В одноатомных газах возможно получение гармоник с нечетными номерами только по причинам симметрии. Генерация гармоник в пертурбативном режиме (слабое поле) характеризуется быстрым падением эффективности с увеличением порядка гармоник. Это поведение можно понять, рассмотрев атом, поглощающий n фотонов, а затем излучающий один фотон высокой энергии. Вероятность поглощения n фотонов уменьшается с увеличением n, что объясняет быстрое уменьшение начальной интенсивности гармоник.
Первая генерация высоких гармоник наблюдалась в 1977 году при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов CO 2 с плазмой, генерируемой твердотельными мишенями. HHG в газах, широко распространенный в настоящее время, впервые был обнаружен Макферсоном и его коллегами в 1987 году, а затем Феррей и др. в 1988 г. с удивительными результатами: было обнаружено, что интенсивность высоких гармоник уменьшается на низких порядках, как и ожидалось, но затем наблюдалась форма плато, при этом интенсивность гармоник оставалась приблизительно постоянной на многих порядках. Были измерены гармоники плато, охватывающие сотни эВ, которые распространяются в режим мягкого рентгеновского излучения. Это плато резко заканчивается в позиции, называемой отсечкой высоких гармоник.
Высшие гармоники обладают рядом интересных свойств. Они представляют собой настраиваемый настольный источник XUV / мягкого рентгеновского излучения, синхронизированный с ведущим лазером и производимый с той же частотой повторения. Отсечка гармоник изменяется линейно с увеличением интенсивности лазера вплоть до интенсивности насыщения I sat, где генерация гармоник прекращается. Интенсивность насыщения можно увеличить, заменив атомные частицы на более легкие благородные газы, но они имеют более низкую эффективность преобразования, поэтому необходимо найти баланс в зависимости от требуемых энергий фотонов.
Генерация высоких гармоник сильно зависит от управляющего лазерного поля, и в результате гармоники имеют аналогичные свойства временной и пространственной когерентности. Высокие гармоники часто генерируются с длительностью импульса короче, чем у управляющего лазера. Это связано с нелинейностью процесса генерации, фазовым синхронизмом и ионизацией. Часто гармоники возникают только в очень маленьком временном окне, когда выполняется условие фазового согласования. Истощение генерирующей среды из-за ионизации также означает, что генерация гармоник в основном ограничивается передним фронтом управляющего импульса.
Высокие гармоники излучаются коллинеарно с управляющим лазером и могут имеют очень плотное угловое ограничение, иногда с меньшей расходимостью, чем у основного поля, и с профилями пучка, близкими к гауссову.
Дана максимальная энергия фотонов, получаемая при генерации высоких гармоник отсечкой гармонического плато. Это можно вычислить классически, исследуя максимальную энергию, которую ионизированный электрон может получить в электрическом поле лазера. Энергия отсечки определяется выражением;
где U p - это пондеромоторная энергия лазерного поля, а I p - потенциал ионизации.
. Этот вывод энергии отсечки получен из полуклассического расчет. Электрон сначала рассматривается квантово-механически, поскольку он туннельно ионизирует из родительского атома, но затем его последующая динамика рассматривается классически. Предполагается, что электрон рождается в вакууме с нулевой начальной скоростью и затем ускоряется электрическим полем лазерного луча.
Трехступенчатая модель Половина оптического цикла после ионизации электрон меняет направление при изменении электрического поля и ускоряется обратно к родительскому ядру. По возвращении в исходное ядро он может затем испускать тормозное излучение -подобное излучение во время процесса рекомбинации с атомом, когда он возвращается в свое основное состояние. Это описание стало известно как модель повторного столкновения генерации высоких гармоник.
Энергия возврата электрона (полная синяя кривая) и время отклонения (синяя пунктирная кривая) как функция времени возврата Поскольку частота излучаемого излучение зависит как от кинетической энергии, так и от потенциала ионизации, разные частоты излучаются в разное время рекомбинации (т. е. излучаемый импульс чирпируется ). Более того, для каждой частоты есть два соответствующих времени рекомбинации. Мы называем эти две траектории короткой траекторией (которая излучается первыми) и длинной траекторией.
Некоторые интересные ограничения процесса ГВГ, которые объясняются этой моделью, показывают, что ГВГ будет возникать только в том случае, если поле управляющего лазера линейно поляризовано. Эллиптичность на лазерном луче заставляет возвращающийся электрон пропустить родительское ядро. Квантово-механически перекрытие возвратного электронного волнового пакета с ядерным волновым пакетом уменьшается. Это наблюдалось экспериментально, когда интенсивность гармоник быстро уменьшается с увеличением эллиптичности. Другой эффект, который ограничивает интенсивность управляющего лазера, - это сила Лоренца. При интенсивностях выше 10 Вт / см магнитная составляющая лазерного импульса, которая игнорируется в оптике слабого поля, может стать достаточно сильной, чтобы отклонить возвращающийся электрон. Это заставит его «пропустить» родительское ядро и, следовательно, предотвратить HHG.
Как и в любом нелинейном процессе, согласование фаз играет важную роль в генерации высоких гармоник в газовой фазе. Четыре причины несовпадения волновых векторов: нейтральная дисперсия, плазменная дисперсия, фаза Гуи и дипольная фаза.
Нейтральная дисперсия вызвана атомами, а плазменная дисперсия - ионами, и обе противоположные знаки. Фаза Гуи возникает из-за скачка фазы волнового фронта вблизи фокуса и изменяется вдоль него. Наконец, дипольная фаза возникает в результате реакции атома в процессе ГВГ. При использовании геометрии газовой струи оптимальные условия для генерации высоких гармоник, излучаемых из коротких траекторий, достигаются, когда генерирующий газ расположен после фокуса, в то время как генерация высоких гармоник из длинной траектории может быть получена вне оси, когда генерирующий газ расположен перед фокусом. При использовании геометрии газовой струи фокусировка лазера в диск Маха может повысить эффективность генерации гармоник.
