强场高次谐波及阿秒脉冲的优化研究

【摘要】： 超强超短激光的产生及其应用是近年激光物理与技术发展的新前沿。超强超短激光技术已经能够实现聚焦功率密度达到甚至远超过相对论光强量级或者脉宽接近一个光学周期的激光脉冲,从而将激光场与物质的相互作用推进到非微扰、高度非线性的领域,并进而导致一系列新效应,新现象,其中之一就是高次谐波的产生。通常,超强超短激光与原子、分子气体相互作用产生的谐波转化效率在低级次端随着级次的增加而迅速下降;随后下降趋势变得平缓,形成一个宽阔的平台区;最后在谱的末端,谐波效率迅速下降为零,形成陡峭的截止区。实验表明,强场高次谐波的级次可以高达数百,如以800nm波长的驱动激光场为例,产生的谐波光子最高能量已可达到keV量级。 由于高次谐波可望成为可调谐、高强度、台式化的超快(脉宽达到飞秒乃至阿秒时间尺度)极紫外(XUV)相干光源,该领域已经成为国际上强场超快激光物理研究的热点之一。然而因为高次谐波的产生是高度的非线性过程,高次谐波的产生效率非常低。如何推进更短波长以及更高转换效率的高次谐波输出,并进而产生较高能量的单个阿秒脉冲,已成为当前研究的热点问题。 本论文围绕提高高次谐波的产生效率以及通过优化展宽截止区XUV超连续谱进一步产生单个阿秒脉冲这两个方面展开了详细的讨论。主要工作和创新性成果如下: 1、本文首先对高次谐波产生的理论以及在介质中的传播进行了详细的阐述,这是本文开展研究工作的基础,对如何增强单原子高次谐波辐射进行了理论分析,并讨论了高次谐波在宏观介质中实现相位匹配的主要方案。 2、首次提出了对双色场进行多个参数同时优化的思想,利用模拟退火算法对基频800nm和长波2400nm双色合成场进行了附加长波场的能量、脉宽及两脉冲延时同时进行了优化,将氩原子中产生的高次谐波截止区的XUV超连续谱从单色场的10eV拓宽到双色场的115eV。引入多参数优化的思想以后,可以充分利用实验室的激光参数条件,得到高次谐波截止区展宽的XUV超连续谱,从而支持脉宽更短的单个阿秒脉冲产生。 3、首次提出了用于高次谐波的多准相位匹配思想,利用谐波在介质中传输的简化模型,数值模拟了谐波信号的传输。用模拟退火优化算法设计了内径非周期调制的空心光纤,利用激光场空间调制提供的多个倒格矢来补偿不同阶次HHG的位相失配,实现了高次谐波的多准相位匹配。通过设计不同的非周期微结构空心光纤,可以得到任意所需的HHG能量谱,从而为阿秒脉冲的产生提供一种新的思路和方法。 4、实验上用激光微加工的方法制备了用于HHG多准相位匹配的内径非周期调制的空心毛细管,并设计加工了相对应的高次谐波实验系统和装置,进行了初步的高次谐波实验探索。此外,设计了几种可行的高次谐波多准相位匹配的实验方案。