研究了空間非均勻啁啾場(chǎng)作用下氦離子的高次諧波輻射和單個(gè)阿秒脈沖的產(chǎn)生。計(jì)算結(jié)果表明:相比單個(gè)空間非均勻場(chǎng)和單個(gè)啁啾場(chǎng)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的諧波譜,空間非均勻啁啾場(chǎng)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的諧波譜的截止位置得到了極大的拓展,并且產(chǎn)生了帶寬為1073 eV的超連續(xù)譜。此外,這種時(shí)空組合場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)抑制長(zhǎng)路徑而選取短路徑,從而有效地貢獻(xiàn)連續(xù)譜的產(chǎn)生。直接疊加連續(xù)譜上大范圍的諧波,可獲得脈寬為13 as的單個(gè)阿秒脈沖。通過調(diào)節(jié)啁啾參數(shù),可實(shí)現(xiàn)脈寬僅為7.4 as的單個(gè)脈沖的輸出。 

【文章來源】：中國(guó)激光. 2020,47(05)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：9 頁(yè)

【部分圖文】：

不同激光場(chǎng)作用下He+的諧波譜。

圖1 不同激光場(chǎng)作用下He+的諧波譜。為了更深地理解本文方案中諧波譜的時(shí)頻特性,應(yīng)用小波變換計(jì)算得到了諧波階次與發(fā)射時(shí)間的關(guān)系,結(jié)果如圖3(c)所示(1 o.c.≈2.67 fs)。作為對(duì)比,本文也分別給出了單個(gè)啁啾場(chǎng)和單個(gè)空間非均勻場(chǎng)中高次諧波的時(shí)頻分布圖像,如圖3(a)和圖3(b)所示。在單個(gè)啁啾場(chǎng)作用下,有三個(gè)峰貢獻(xiàn)于諧波產(chǎn)生,分別標(biāo)記為P1、P2和P3,其中P1和P2的強(qiáng)度相當(dāng),且它們的強(qiáng)度更強(qiáng)于P3,于是可忽略P3對(duì)高次諧波的貢獻(xiàn)。另外,對(duì)于高于88階次的諧波,每次諧波都有兩個(gè)發(fā)射時(shí)間不同的電子路徑與之對(duì)應(yīng),其中正的上升沿對(duì)應(yīng)著短路徑,負(fù)的下降沿對(duì)應(yīng)著長(zhǎng)路徑,這就是所謂的長(zhǎng)短路徑。因?yàn)殚L(zhǎng)短路徑中的諧波具有幾乎相同的強(qiáng)度,所以它們之間的干涉導(dǎo)致了諧波譜顯示為強(qiáng)的調(diào)制結(jié)構(gòu),如圖1(a)中實(shí)線所示,這不利于單個(gè)阿秒脈沖的產(chǎn)生。從圖3(b)可知:在單個(gè)空間非均勻場(chǎng)作用下,仍然有三個(gè)峰貢獻(xiàn)于高次諧波發(fā)射,分別記為P′1、P′2和P′3,其中P′1和P′3主要貢獻(xiàn)80階次以下的諧波,而80階次以上的諧波僅來自P′2的貢獻(xiàn),這使得80階次以上的諧波是連續(xù)的。對(duì)于P′2峰,由于短路徑和長(zhǎng)路徑發(fā)射時(shí)間的差別不是很大,因此可將兩個(gè)路徑并合,其中短路徑起主導(dǎo)作用。但短路徑諧波的發(fā)射時(shí)間隨著諧波階次的增加而增加,使得這些諧波在相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)被激發(fā),因此平臺(tái)諧波并不完全鎖相,僅僅選擇合適階次的諧波進(jìn)行疊加才能夠獲得單個(gè)短阿秒脈沖,如圖4(a)中虛線所示。在空間非均勻啁啾場(chǎng)作用下,僅有兩個(gè)發(fā)射峰P″1和P″2對(duì)諧波產(chǎn)生有貢獻(xiàn),如圖3(c)所示。由于P″2峰高能部分的強(qiáng)度很弱(240階次以上),所以240階次以上的諧波主要來自P″1峰的貢獻(xiàn),這也預(yù)示著高于240階次的諧波是連續(xù)的。與單個(gè)啁啾場(chǎng)和單個(gè)空間非均勻場(chǎng)中得到的結(jié)果相比較,最高峰P″1的最大諧波級(jí)次更高于P2和P′2,而次高峰P″2的最大諧波級(jí)次略高于P1和P′1,因此,在空間非均勻啁啾場(chǎng)作用下,譜截止更高,連續(xù)譜更寬。此外,對(duì)于連續(xù)諧波,僅電子短路徑被選取,而長(zhǎng)路徑被完全抑制,這使得連續(xù)譜呈現(xiàn)更光滑、更規(guī)整的譜結(jié)構(gòu),同時(shí)說明了量子路徑選取已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

為了更深地理解本文方案中諧波譜的時(shí)頻特性,應(yīng)用小波變換計(jì)算得到了諧波階次與發(fā)射時(shí)間的關(guān)系,結(jié)果如圖3(c)所示(1 o.c.≈2.67 fs)。作為對(duì)比,本文也分別給出了單個(gè)啁啾場(chǎng)和單個(gè)空間非均勻場(chǎng)中高次諧波的時(shí)頻分布圖像,如圖3(a)和圖3(b)所示。在單個(gè)啁啾場(chǎng)作用下,有三個(gè)峰貢獻(xiàn)于諧波產(chǎn)生,分別標(biāo)記為P1、P2和P3,其中P1和P2的強(qiáng)度相當(dāng),且它們的強(qiáng)度更強(qiáng)于P3,于是可忽略P3對(duì)高次諧波的貢獻(xiàn)。另外,對(duì)于高于88階次的諧波,每次諧波都有兩個(gè)發(fā)射時(shí)間不同的電子路徑與之對(duì)應(yīng),其中正的上升沿對(duì)應(yīng)著短路徑,負(fù)的下降沿對(duì)應(yīng)著長(zhǎng)路徑,這就是所謂的長(zhǎng)短路徑。因?yàn)殚L(zhǎng)短路徑中的諧波具有幾乎相同的強(qiáng)度,所以它們之間的干涉導(dǎo)致了諧波譜顯示為強(qiáng)的調(diào)制結(jié)構(gòu),如圖1(a)中實(shí)線所示,這不利于單個(gè)阿秒脈沖的產(chǎn)生。從圖3(b)可知:在單個(gè)空間非均勻場(chǎng)作用下,仍然有三個(gè)峰貢獻(xiàn)于高次諧波發(fā)射,分別記為P′1、P′2和P′3,其中P′1和P′3主要貢獻(xiàn)80階次以下的諧波,而80階次以上的諧波僅來自P′2的貢獻(xiàn),這使得80階次以上的諧波是連續(xù)的。對(duì)于P′2峰,由于短路徑和長(zhǎng)路徑發(fā)射時(shí)間的差別不是很大,因此可將兩個(gè)路徑并合,其中短路徑起主導(dǎo)作用。但短路徑諧波的發(fā)射時(shí)間隨著諧波階次的增加而增加,使得這些諧波在相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)被激發(fā),因此平臺(tái)諧波并不完全鎖相,僅僅選擇合適階次的諧波進(jìn)行疊加才能夠獲得單個(gè)短阿秒脈沖,如圖4(a)中虛線所示。在空間非均勻啁啾場(chǎng)作用下,僅有兩個(gè)發(fā)射峰P″1和P″2對(duì)諧波產(chǎn)生有貢獻(xiàn),如圖3(c)所示。由于P″2峰高能部分的強(qiáng)度很弱(240階次以上),所以240階次以上的諧波主要來自P″1峰的貢獻(xiàn),這也預(yù)示著高于240階次的諧波是連續(xù)的。與單個(gè)啁啾場(chǎng)和單個(gè)空間非均勻場(chǎng)中得到的結(jié)果相比較,最高峰P″1的最大諧波級(jí)次更高于P2和P′2,而次高峰P″2的最大諧波級(jí)次略高于P1和P′1,因此,在空間非均勻啁啾場(chǎng)作用下,譜截止更高,連續(xù)譜更寬。此外,對(duì)于連續(xù)諧波,僅電子短路徑被選取,而長(zhǎng)路徑被完全抑制,這使得連續(xù)譜呈現(xiàn)更光滑、更規(guī)整的譜結(jié)構(gòu),同時(shí)說明了量子路徑選取已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。通過以上分析,可以得出結(jié)論:空間非均勻啁啾場(chǎng)驅(qū)動(dòng)不僅可以有效地?cái)U(kuò)展諧波截止,而且可以產(chǎn)生頻帶很寬且只有單個(gè)量子路徑起主導(dǎo)作用的連續(xù)譜。而量子路徑選取的一個(gè)直接應(yīng)用就是產(chǎn)生單個(gè)阿秒脈沖。為了證實(shí)本文的觀點(diǎn),對(duì)空間非均勻啁啾場(chǎng)中阿秒脈沖的產(chǎn)生情況進(jìn)行了研究。作為對(duì)比,也給出了單個(gè)啁啾場(chǎng)和單個(gè)空間非均勻場(chǎng)中阿秒脈沖的合成情況,如圖4(a)所示。對(duì)于單個(gè)啁啾場(chǎng),通過疊加88～104階次的諧波,在時(shí)域上得到了兩個(gè)阿秒脈沖,其中弱的121 as脈沖來自短路徑,而稍強(qiáng)的128 as脈沖來自長(zhǎng)路徑。對(duì)于單個(gè)空間非均勻場(chǎng),選擇190～240階次的諧波進(jìn)行疊加,在時(shí)域上得到了一個(gè)脈寬為64.6 as單個(gè)脈沖,如圖4(a)中的虛線所示。注意:在目前的激光與物質(zhì)條件下,雖然利用空間非均勻場(chǎng)可以獲得單個(gè)脈沖,但脈沖的持續(xù)時(shí)間大于原子中電子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間尺度,即24 as,因此其應(yīng)用受到了限制。圖4(b)～(d)是空間非均勻啁啾場(chǎng)中通過疊加連續(xù)譜上不同階次諧波所得到的阿秒脈沖時(shí)域包絡(luò)。選擇850～1080階次的諧波進(jìn)行疊加,對(duì)應(yīng)的譜寬為357 eV,在沒有任何相位補(bǔ)償?shù)那闆r下,直接獲得了一個(gè)脈寬僅為13 as的單個(gè)脈沖,非常接近理論計(jì)算得到的傅里葉極限脈寬11.6 as,如圖4(b)所示。這個(gè)脈寬13 as的單個(gè)脈沖的中心波長(zhǎng)約為0.83 nm,僅僅包含4.69個(gè)光周期。如此短的單個(gè)阿秒脈沖對(duì)于人們研究原子分子內(nèi)電子動(dòng)力學(xué)行為有著重要的意義。計(jì)算結(jié)果表明:通過過濾連續(xù)譜上不同階次的諧波,可以得到一系列單個(gè)超短阿秒脈沖,且脈寬都在24 as以下,如圖4(c)和4(d)所示,這使得在實(shí)驗(yàn)上產(chǎn)生脈寬超短的單個(gè)阿秒脈沖極為方便。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號(hào)：3444792