基于时空调控的阿秒脉冲产生及优化
在过去的几十年中，强场物理学得到了迅速发展。其中，高次谐波的产生由于其在很多领域都有着潜在的运用，成为了研究的一个热点，受到了科学家们的广泛关注。高次谐波辐射可以用来产生极紫外波段和软X射线波段的相干光源，更重要的是，它还可以用来获得阿秒脉冲。这种超短脉冲的出现，使得高时间分辨地探测、控制各种超快过程成为可能。随着社会的发展，阿秒脉冲的运用范围也越来越广。为了更好地满足不同领域对超快光源的需求，如何产生孤立阿秒脉冲并优化其特性是至关重要的。本文集中开了基于高次谐波辐射的阿秒脉冲的产生及控制的研究。我们从理论上提出了一些有效的方法来调控高次谐波的产生过程，以获得孤立阿秒脉冲同时改善其特性。本文的主要研究内容和创新点有以下几个方面： （1）提出了一种利用双色贝塞尔-高斯光束产生高效，高光束质量的孤立阿秒脉冲的方案。通过构造“双色场电离门”机制，高次谐波的单体响应过程被控制在了半个光周期内。经过宏观传播之后，谐波效率显著提高，同时单个量子轨道被选择出来，在平台区（22次到50次）产生了光滑的超连续谱。利用这段超连续谱我们获得了高效的孤立阿秒脉冲。进一步的研究发现，这种孤立阿秒脉冲具有极小的远场发散角和高斯型空间分布。较传统高斯光束驱动的情况相比，阿秒脉冲的光束质量得到了很大改善，同时强度也高了近一个量级。这种高效，高光束质量的孤立阿秒脉冲对于超快科学有着重要的意义。 （2）系统地研究了双色贝塞尔-高斯光束驱动下超连续谱的产生机制。我们讨论了驱动激光场的脉宽、强度、相对相位对超连续谱形成的影响。此外，我们着重分析了高次谐波的相位匹配情况。我们发现，当改变双色贝塞尔-高斯光束的角度参数时，平台区不同波段谐波的相位匹配条件可以被选择性地优化，这样就能调节特定波段谐波的效率，传播之后也可以产生不同中心频率的高效平滑超连续谱。经过滤波，我们得到了不同中心波长的可调谐孤立阿秒脉冲，这种波长可变的高效孤立阿秒脉冲可以满足不同运用的需求。 （3）利用双色非均匀场实现了对高次谐波单体响应过程同时从时间和空间上的调控。在这种时空整形的电场中，电子的电离，加速和回复过程可以同时受到控制。通过调节双色场的相对相位，空间非均匀性对电子动能的影响可以被有效地限制在半个光周期内。于电场峰值处电离的电子可以从非均匀场中获得较多的动能，相应的电子轨迹被拉伸并且短轨道被选择。这样就产生了从平台区一直延伸到截至区的宽带超连续谱。在单色非均匀场中，谐波的效率随着阶次的增大明显下降。而双色非均匀场驱动下得到的超连续谱具有稳定的强度分布、更高的产率和更宽的谱宽，可以支持高效率、窄脉宽的孤立阿秒脉冲的产生。 （4）研究了空间非均匀场驱动下里德堡原子中的高次谐波产生。在均匀场中，由里德堡态引起的谐波谱截止区的拓宽仅发生在周期量级脉冲驱动的时候（小于两个光周期），这对实验来说是非常苛刻的条件。我们采用非均匀场，将里德堡原子中截止区拓宽的现象拓展到了多光周期驱动的情况。我们进一步研究了非均匀场驱动下里德堡原子中的电子动力学过程，发现里德堡态的电子对空间非均匀度依赖敏感。随着非均匀度的增大，里德堡态的电子可以获得比基态电子更多的动能，在回复时辐射出高能的谐波光子，从而导致截止区的拓宽。另外，通过调节非均匀性，能够实现里德堡态单个量子轨道的选择，在谐波谱的拓宽部分产生相位锁定的高效超连续谱。这为多光周期驱动下高效孤立阿秒脉冲的产生提供一种可行的方案。
高次谐波;超连续谱;阿秒脉冲;强场物理;相位匹配;时空调控
华中科技大学
博士
光学
陆培祥
2015
中文
O412.3
112
2016-05-04（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）