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双色场量子调控及宽带超连续谱的产生

洪伟毅  
【摘要】:基于高次谐波的阿秒脉冲光源的出现和发展带来超快探测领域革命性的飞跃。由于阿秒脉冲具有极高的时间分辨率,可以使得深入研究物质内部阿秒时间尺度的超快过程成为可能,阿秒脉冲目前已经成功应用于原子内部电子超快动力学过程、纳米材料表面等离子体基元超快过程、凝聚态物质内部超快过程等的探测。单阿秒脉冲产生的关键问题在于其谱宽和强度。阿秒泵浦-探测技术的时间分辨率和探测效率直接取决于单阿秒脉冲的频谱宽度和脉冲强度,而传统的产生单阿秒脉冲的方法所得到的谱宽一般都仅为20电子伏左右,难以突破百阿秒壁垒,同时强度也不高。近年来提出的双色场量子相干调控手段已经被理论和实验证明是获得低于100阿秒的真正阿秒量级脉冲的有效方式。由于双色场本身丰富的物理特性,如何进一步优化双色场调控手段,获得更大谱宽、更短脉宽、以及更高强度的单阿秒脉冲,以及轨道选择和相关的参数依赖性方面仍需要深入研究。本文针对上述几个问题,开展了以下几个方面的工作: (1)开展了双色场量子相干调控获得宽带超连续谱的优化控制研究。首先研究了多光周期双色场量子调控产生宽带超连续谱及其轨道选择方面的问题,提出在双色场相干调控的基础上,利用亚飞秒极紫外脉冲辅助电离的方法有效提高宽带超连续谱的产生效率,同时实现轨道选择,可以有效产生低于100阿秒的单阿秒脉冲。另外,提出利用偏振方向成角度的双色场得到宽带超连续谱,同时很好地选出短轨道。在这种量子调控机制下,控制场的强度变化在比较大的范围内不会影响超连续谱的谱宽和频率,从而可以实现高信噪比单阿秒脉冲的稳定产生。 (2)提出利用静电场或者准静态场实现对高次谐波过程的非相干量子调控。发现较强的静电场可以很大程度地拓宽高次谐波的谱宽,并且在很大的频谱范围内谐波均来自短轨道的贡献,因此这部分谐波的相位是锁定的。这种相位锁定的谐波一个光周期只辐射一次,因此可以通过这种方式获得载波相位稳定的周期量级阿秒脉冲,将在超快探测方面具有重要的应用价值。在此基础上还研究了如何通过上述量子调控方式获得宽带单阿秒脉冲,发现周期量级的驱动脉冲叠加上半光周期大于驱动脉冲持续时间的低频控制场,可以获得谱宽达到155电子伏的宽带超连续谱,通过直接滤波的方式可以得到脉宽低于50阿秒的单阿秒脉冲。 (3)开展了中红外波段双色场量子相干调控的研究。由于中红外脉冲可以获得很高光子能量的谐波,甚至达到“水窗波段”软X射线区域,因此成为了获得更宽超连续谱的手段。我们用强度较弱的800m近红外光作为控制光,通过这种控制方式,可以得到效率较高的“水窗波段”宽带超连续谱,可以支持中心波长可调谐的单个阿秒量级“水窗波段”X射线脉冲的产生,对于研究生物活体组织超快过程以及原子内层电子超快动力学有重要应用价值。我们进一步将这种调控方式应用到“偏振态门”技术上可以实现频谱范围覆盖极紫外波段到“水窗波段”软X射线区域的极宽带超连续谱的有效产生,这样的超连续谱不仅可以支持中心波长可调谐、脉宽低于100阿秒的单个X射线脉冲的有效产生,同时如果能够对谐波固有啁啾进行补偿,还可以获得脉宽远低于一个原子单位的单阿秒脉冲。


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