本文關(guān)鍵詞： 高次諧波 相位匹配 相干飛秒單色化極紫外光源 圓錐衍射 時(shí)間保持單色儀 平場(chǎng)光譜儀 干涉相消　出處：《吉林大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：飛秒極紫外(XUV)光源同時(shí)具有高的空間分辨和時(shí)間分辨的能力,對(duì)于人們認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界和控制物理過程具有重要應(yīng)用。在各種產(chǎn)生超快XUV光源的方法中,基于高次諧波的可調(diào)諧桌面化相干光源有很大的優(yōu)勢(shì),具有重復(fù)頻率高(kHz或MHz)、空間相干性好以及飛秒或阿秒的時(shí)間分辨等特性。超短脈沖強(qiáng)激光與氣體原子或分子相互作用時(shí),會(huì)輻射入射激光頻率奇次倍的諧波,這些諧波構(gòu)成一個(gè)平臺(tái)區(qū),即高次諧波。高次諧波(HHG)是一種極端的非線性過程,可以用三步模型解釋。首先激光場(chǎng)非常強(qiáng),強(qiáng)到將電子電離,電離后的電子被激光場(chǎng)加速,當(dāng)電場(chǎng)反向時(shí),電子減速并被反向加速,在一定時(shí)間后電子回到母核附近,有幾率與母核復(fù)合。當(dāng)電子與母核復(fù)合,會(huì)輻射光子,即高次諧波。電子與母核復(fù)合的時(shí)間尺度為阿秒,因此輻射的光脈沖是阿秒脈沖,頻譜為連續(xù)譜。在多周期脈沖作用下,每半周期輻射的超短光脈沖在頻域發(fā)生干涉,因此產(chǎn)生原激光頻率兩倍的分離譜。利用高次諧波產(chǎn)生桌面化光源的最大障礙是轉(zhuǎn)換效率低,要產(chǎn)生強(qiáng)的高次諧波輻射,需要實(shí)現(xiàn)相位匹配,即高次諧波與驅(qū)動(dòng)激光的相速度相等。當(dāng)達(dá)到相位匹配時(shí),不同位置的原子產(chǎn)生的高次諧波實(shí)現(xiàn)干涉相長,從而增強(qiáng)高次諧波輻射。這種桌面化的XUV光源能夠在以前達(dá)不到的能量范圍和時(shí)間分辨率的情況下探測(cè)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。本論文研究設(shè)計(jì)、建立了一套基于強(qiáng)場(chǎng)高次諧波的超快可調(diào)諧極紫外相干光源及極紫外光譜測(cè)量裝置,為了保證極紫外光的反射率和衍射效率,光學(xué)元件都采用掠入射方式。超快可調(diào)諧極紫外相干光源使用C-T單色儀結(jié)構(gòu)選擇單一級(jí)次的高次諧波。創(chuàng)新點(diǎn)是單色儀中光柵采用圓錐衍射方式進(jìn)行安裝,即入射光線近似與光柵刻線平行的方式入射,衍射光線分布在一個(gè)圓錐上。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是既可以有較高的衍射效率又可以保持XUV光脈沖的時(shí)間特性。波長掃描使用精密真空轉(zhuǎn)臺(tái)控制光柵沿著通過光柵中心、與光柵刻線平行的軸轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn),使用出射狹縫選擇出單一級(jí)次的高次諧波。光源實(shí)現(xiàn)的光子能量范圍為20~75 eV,脈沖寬度約100 fs左右,對(duì)于23級(jí)諧波,每秒鐘光子數(shù)為109。另外,為了研究原子、分子高次諧波全譜的規(guī)律,我們建立了極紫外光譜探測(cè)裝置,光譜儀采用球面平場(chǎng)光柵作為分光元件,光譜儀的光譜探測(cè)范圍為25~250 eV(5~50 nm),光譜分辨能力為600。譜儀的探測(cè)器采用微通道板(MCP)配以P46熒光屏,并用CCD相機(jī)獲取熒光屏上的光譜成像。設(shè)計(jì)建立的極紫外光譜儀具有高次諧波全譜的探測(cè)能力并滿足了開展相關(guān)高次諧波光譜研究的需求。使用建立的儀器裝置,研究了稀有氣體原子Ne、Ar、Kr、Xe和簡單分子N2的高次諧波輻射特性,通過測(cè)量高次諧波強(qiáng)度與驅(qū)動(dòng)激光光強(qiáng)、激光橢偏率、氣體壓強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)激光波長等條件的關(guān)系,探索發(fā)現(xiàn)了一些有價(jià)值的規(guī)律。隨著驅(qū)動(dòng)激光強(qiáng)度的增加,高次諧波輻射強(qiáng)度呈現(xiàn)指數(shù)增加的趨勢(shì),當(dāng)達(dá)到一定程度后,由于自由電子密度過高,偏離相位匹配條件,諧波強(qiáng)度有所降低。在相同驅(qū)動(dòng)激光光強(qiáng)下,不同級(jí)次的諧波輻射強(qiáng)度隨著氣體壓強(qiáng)的增加而呈現(xiàn)先增加,并存在一個(gè)最優(yōu)化壓強(qiáng)即諧波輻射強(qiáng)度達(dá)到最大值,之后諧波輻射強(qiáng)度開始降低的變化趨勢(shì)。研究還發(fā)現(xiàn),在實(shí)驗(yàn)條件下隨著驅(qū)動(dòng)激光光強(qiáng)的增加,最優(yōu)化介質(zhì)氣體壓強(qiáng)區(qū)域呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。我們使用Constant等人的1D模型計(jì)算研究了產(chǎn)生這一變化趨勢(shì)的原因。在緊聚焦條件下,高斯束相位梯度和原子偶極相位對(duì)高次諧波相位匹配起主要作用,在激光焦點(diǎn)后原子偶極相位與中性原子色散都對(duì)相位匹配有正的貢獻(xiàn)。由于原子偶極相位與激光強(qiáng)度成正比,當(dāng)激光強(qiáng)度增加時(shí)原子偶極相位的作用增加,此時(shí)達(dá)到相位匹配時(shí),中性原子色散的貢獻(xiàn)就相應(yīng)減少,即達(dá)到相位匹配時(shí)最優(yōu)化氣體壓強(qiáng)會(huì)降低。進(jìn)一步當(dāng)激光光強(qiáng)繼續(xù)增加時(shí),等離子體散焦作用增強(qiáng)并阻止驅(qū)動(dòng)激光光強(qiáng)的進(jìn)一步增加,所以此時(shí)最優(yōu)化氣體壓強(qiáng)幾乎相同。同時(shí),我們研究了Ar/N2、Ar/Kr、Ne/Xe混合氣體的高次諧波強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)混合氣體的高次諧波強(qiáng)度低于某一單獨(dú)氣體的諧波強(qiáng)度,這一現(xiàn)象表明在實(shí)驗(yàn)測(cè)量的光譜范圍內(nèi)混合氣體相應(yīng)組分原子間的高次諧波輻射會(huì)產(chǎn)生干涉相消。這些研究為理解高次諧波輻射特性,產(chǎn)生桌面化高亮度的XUV光源提供了方法。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O43

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