發(fā)布時間：2020-11-20 00:59

　　 隨著最近幾十年來激光技術的不斷發(fā)展,對高功率激光與物質相互作用的研究逐漸成為物理學中最活躍、最前沿的領域之一。高次諧波作為高功率激光與物質相互作用產生的一種典型非線性物理現(xiàn)象,是合成高效阿秒脈沖、獲取軟X射線和高亮度相干極紫外光源的首選方案。由于固體材料高電子密度的特性,是獲得穩(wěn)定高效高次諧波的重要途徑。最近幾年,國際上針對固體高次諧波產生展開了大量實驗與理論研究工作,但對固體高次諧波產生的精確數(shù)值計算與奇次諧波產生分析的相關工作較少�；谝陨涎芯楷F(xiàn)狀,本文通過理論研究與數(shù)值計算對高功率激光誘導固體高次諧波產生進行了研究。具體研究內容包括以下幾個方面:(1)通過數(shù)值計算得到了高功率激光誘導固體產生的高次諧波譜并分析了電流密度的對稱性。我們利用固體材料硫化亞銅的晶格參數(shù)結合克勒尼希-彭尼勢建立了三能帶模型,通過速度規(guī)范下的密度矩陣理論求解了固體高次諧波譜,得到了僅含奇次諧波分量的高次諧波。我們研究了高次諧波的產生過程,分別研究了組成高次諧波的帶內諧波與帶間諧波的產生:帶內密度矩陣元和能帶結構在波矢空間的對稱關系使帶內電流滿足奇諧函數(shù);帶間密度矩陣元和極化分量的模值與相位也滿足使帶間電流為奇諧函數(shù)的對應關系,因而帶內和帶間諧波均為奇次諧波。(2)研究了不同初值對密度矩陣演化的影響以及激光功率密度對三能帶模型中不同能帶對固體高次諧波譜貢獻大小的影響。我們通過取不同時刻密度矩陣的值作為初值,發(fā)現(xiàn)密度矩陣方程的解對初值不敏感。當激光功率密度較低時,三能帶模型中幾乎僅有價帶與低能導帶對高次諧波有貢獻,此時的固體高次諧波計算結果基本等同于雙能帶模型;隨著激光功率密度的提高,高能導帶對于高次諧波的貢獻也不斷提高,此時三能帶模型能夠更加精確地描述固體高次諧波的產生。(3)系統(tǒng)研究了外場作用下固體高次諧波的頻譜特性。我們在單色激光場基礎上引入的靜電場改變了固體材料的能帶結構,使高次諧波譜的雙平臺特性消失,并提高了高次諧波譜的截止頻率。我們分析了在靜電場與雙色激光場作用下固體高次諧波的頻譜特性,通過在主激光場的基礎上附加一束強度較弱的次激光場組成了雙色激光場。我們發(fā)現(xiàn)固體材料在雙色激光場作用下產生的高次諧波譜中同時含有奇次諧波與偶次諧波,且諧波強度受到了雙色激光場初始相位延時的周期性調制作用,偶次諧波強度受初始相位延時的影響明顯強于奇次諧波。
【學位單位】：電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：TN24;TN78
【部分圖文】：

第一章緒論1第一章緒論1.1激光技術的發(fā)展歷史激光技術是現(xiàn)代物理學最偉大的發(fā)明之一。由于激光具有單色性好、亮度高、方向性好等優(yōu)點，為研究者探究物質本質提供了強有力的工具。二十世紀二十年代，著名物理學家愛因斯坦于以深刻的洞察力提出了受激輻射的概念，最早從理論上預測了實現(xiàn)光放大的可行性，該理論為激光理論的發(fā)展和激光器的發(fā)明奠定了基矗二十世紀六十年代，世界上第一臺紅寶石激光器于休斯研究實驗室誕生[1,2]。激光技術在此之后取得了長足的進步，不斷朝著強度更好、脈寬更小這兩個方向不斷發(fā)展[3,4]。提升激光能量與降低脈沖寬度是激光領域重要的研究內容。在二十世紀六十年代初，調Q(Q-switching)技術的不斷發(fā)展使人們得到了峰值功率為106W/cm2、脈寬為10-9s的激光脈沖[5]。后來，鎖模(Modelocking)技術的出現(xiàn)將激光強度提升到了109W/cm2，脈寬壓縮到10-12s[6-8]。二十世紀后期，啁啾脈沖放大技術（ChirpedPulseAmplification)出現(xiàn)，這種技術使激光強度的提高和脈沖寬度的壓縮得到了突飛猛進的發(fā)展[9,10]，該技術目前被廣泛應用于超短超強脈沖激光系統(tǒng)中。如圖1-1所示為啁啾脈沖放大示意圖[9]，該技術通過將低能量、窄脈寬的激光脈沖大幅展寬圖1-1啁啾脈沖放大示意圖[9]

電子科技大學碩士學位論文4算結果符合的相當好。“半經典三步模型”的提出，不僅得到了截止區(qū)能量，還預測了對于同一光子能量的高次諧波存在長軌道與短軌道兩種軌道，生動地闡述了高次諧波產生的過程，并在理論上與截止定律符合得很好。圖1-2氣體高次諧波的“半經典三步模型”示意圖[40]經典微擾理論無法對高次諧波譜的平臺區(qū)和截止區(qū)進行解釋，這是一種典型的非微擾物理光學現(xiàn)象。高次諧波譜中的階次具有選擇性，人們將這一現(xiàn)象稱為選擇定則。在一些高次諧波觀測實驗中，人們發(fā)現(xiàn)用偏振光與原子氣體作用，在輻射的高次諧波中不含偶次諧波，僅觀測到了奇數(shù)階次的諧波，這些實驗驗證了選擇定則的存在。人們通過進一步的研究，發(fā)現(xiàn)高次諧波的選擇定則由驅動電場的對稱性以及靶標物質共同決定[41-45]。1995年，P.Saliere從理論上分析了高次諧波的空間分布，并預言不同軌道在空間上應具有不同空間特性[46]。1998年，M.Bellini等人首次通過測量高次諧波相干時間過程，根據(jù)相干時間與發(fā)散角度成功區(qū)分了長軌道與短軌道對于高次諧波的不同貢獻[47]。2005年，J.Itatani利用量子力學理論成功解釋了產生高次諧波現(xiàn)象的原因[48]，他認為在高次諧波產生的過程中，隧穿電離的作用占據(jù)了主導地位，由于電子電離率與外加電場的正相關關系，使得在強場作用下產生了更多的自由電子，因而大大提升了高次諧波的產生效率。國際社會在研究初期對高次諧波的相關研究主要聚焦于對原子體系的探索，并成功在多種惰性原子氣體中觀測到了高次諧波的產生。后來，隨著高次諧波研究工作的不斷深入，人們將研究目標慢慢從原子氣體拓展到了分子。我們知道，分子體系的內部結構相比原子更為復雜，分子的振動、轉動等特性以及結構的多樣性使得人們研究分子體系高次諧

電子科技大學碩士學位論文6墨烯薄層控制高次諧波產生的可能性，他們的研究結果表明，通過改變紅外激光場的偏振角度和強度來控制石墨烯薄層中高次諧波的產生是可行的[64]。這一研究為人們通過實驗觀測固體高次諧波產生具有指導性意義。2011年，S.Ghimire等人利用波長為3500nm的中紅外飛秒激光脈沖與厚度為500μm的氧化鋅固體相互作用，實現(xiàn)了人類首次在晶體材料上觀測到高次諧波的產生[65]，結果如圖1-3所示。在2.63μJ的激光場中，他們測量到了截止位置高達25階的高次諧波譜，他們還發(fā)現(xiàn)氧化鋅的高次諧波截止能量與驅動激光場峰值大小成線性正相關關系。該發(fā)現(xiàn)打開了固體高次諧波產生的大門，引起了大量科研工作者的關注，后續(xù)人們陸續(xù)報道了更多固體高次諧波實驗。2012年，S.Ghimire等人提出了能帶的非拋物型結構[66]，很好地解釋了固體高次諧波的截止頻率與激光脈沖強度大小的正相關關系。該模型將固體高次諧波產生的原因歸結于由從價帶躍遷到導帶的電子在導帶進行布洛赫震蕩，并推導出高次諧波的截止階次滿足：cutoff00N=nEa(1-3)由該公式可知，組成固體高次諧波的帶內諧波分量的截止能量高低與激光場振幅成正比。該模型很好地對通過實驗得到的高次諧波譜的選擇定則以及截止能量與電場強度的線性關系進行了解釋，常用于對固體的帶內諧波特性進行分析。(a)(b)圖1-3氧化鋅晶體的高次諧波產生示意圖[65]。(a)脈沖能量分別為0.52uJ、2.63uJ對應的高次諧波譜；(b)高次諧波截止能量與激光場強度的線性關系
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本文編號：2890696