Generowanie wysokich harmonicznych - High harmonic generation
Generowanie wysokich harmonicznych ( HHG ) to nieliniowy proces, podczas którego cel (próbka gazu, plazmy, ciała stałego lub cieczy) jest oświetlany intensywnym impulsem laserowym. W takich warunkach próbka wyemituje wysokie harmoniczne wiązki generującej (powyżej piątej harmonicznej). Ze względu na spójny charakter procesu, generowanie wysokich harmonicznych jest warunkiem wstępnym fizyki attosekundowej.
Perturbacyjne generowanie harmonicznych
Perturbacyjne generowanie harmonicznych to proces, w którym światło laserowe o częstotliwości ω i energii fotonów ħω może być wykorzystywane do generowania nowych częstotliwości światła. Nowo generowane częstotliwości są całkowitymi wielokrotnościami nω częstotliwości oryginalnego światła. Proces ten został po raz pierwszy odkryty w 1961 roku przez Frankena i innych przy użyciu lasera rubinowego z krystalicznym kwarcem jako ośrodkiem nieliniowym .
Generowanie harmonicznych w ciałach stałych dielektrycznych jest dobrze poznane i szeroko stosowane we współczesnej fizyce laserowej (patrz generowanie drugiej harmonicznej ). W 1967 New i in. zaobserwował generację pierwszej trzeciej harmonicznej w gazie. W gazach jednoatomowych możliwe jest wytworzenie nieparzystych harmonicznych tylko ze względu na symetrię. Generowanie harmonicznych w reżimie perturbacyjnym (słabe pole) charakteryzuje się szybko malejącą sprawnością wraz ze wzrostem porządku harmonicznego. To zachowanie można zrozumieć, rozważając atom absorbujący n fotonów, a następnie emitujący pojedynczy foton o wysokiej energii. Prawdopodobieństwo zaabsorbowania n fotonów maleje wraz ze wzrostem n , wyjaśniając szybki spadek początkowych natężeń harmonicznych.
Rozwój
Pierwszą generację wysokich harmonicznych zaobserwowano w 1977 r. w interakcji intensywnych impulsów laserowych CO 2 z plazmą generowaną z celów stałych. HHG w gazach, o wiele bardziej rozpowszechnione w dzisiejszych zastosowaniach, po raz pierwszy zaobserwowali McPherson i współpracownicy w 1987 r., a później Ferray i in. w 1988 roku, z zaskakującymi wynikami: stwierdzono, że wysokie harmoniczne zmniejszają intensywność przy niskich rzędach, zgodnie z oczekiwaniami, ale potem zaobserwowano, że tworzą plateau, przy czym intensywność harmonicznych pozostaje w przybliżeniu stała w wielu rzędach. Zmierzono harmoniczne plateau obejmujące setki eV, które rozciągają się na reżim miękkiego promieniowania rentgenowskiego . To plateau kończy się nagle w pozycji zwanej odcięciem wysokich harmonicznych.
Nieruchomości
Wysokie harmoniczne mają szereg interesujących właściwości. Są przestrajalnym, stołowym źródłem promieniowania XUV /miękkich promieni rentgenowskich, zsynchronizowanym z laserem napędowym i wytwarzanym z taką samą częstotliwością powtórzeń. Odcięcie harmoniczne zmienia się liniowo wraz ze wzrostem intensywności lasera aż do intensywności nasycenia, w której siedziałem, gdzie generowanie harmonicznych ustaje. Intensywność nasycenia można zwiększyć, zmieniając rodzaj atomu na lżejsze gazy szlachetne, ale mają one niższą wydajność konwersji, więc należy znaleźć równowagę w zależności od wymaganych energii fotonów.
Generowanie wysokich harmonicznych silnie zależy od napędzającego pola laserowego, w wyniku czego harmoniczne mają podobne właściwości koherencji czasowej i przestrzennej. Wysokie harmoniczne są często generowane przy czasie trwania impulsu krótszym niż w przypadku lasera sterującego. Wynika to z nieliniowości procesu generowania, dopasowania faz i jonizacji . Często harmoniczne są wytwarzane tylko w bardzo małym oknie czasowym, gdy spełniony jest warunek dopasowania fazy. Wyczerpywanie się mediów generujących z powodu jonizacji oznacza również, że generowanie harmonicznych ogranicza się głównie do krawędzi natarcia impulsu sterującego.
Wysokie harmoniczne są emitowane współliniowo z laserem napędowym i mogą mieć bardzo ciasne ograniczenie kątowe, czasami z mniejszą rozbieżnością niż w przypadku pola podstawowego i w pobliżu profili wiązki Gaussa.
Podejście półklasyczne
Maksymalna energia fotonu możliwa do wytworzenia przy wysokiej generowaniu harmonicznej jest dana przez odcięcie plateau harmonicznej. Można to obliczyć klasycznie , badając maksymalną energię, jaką zjonizowany elektron może uzyskać w polu elektrycznym lasera. Energia odcięcia jest podawana przez;
gdzie U p jest energią ponderomotoryczną z pola laserowego, a I p jest potencjałem jonizacyjnym .
To wyprowadzenie energii odcięcia pochodzi z obliczeń półklasycznych. Elektron jest początkowo traktowany mechanicznie kwantowo, ponieważ jonizuje się tunelowo z atomu macierzystego, ale następnie jego kolejna dynamika jest traktowana klasycznie. Zakłada się, że elektron rodzi się w próżni z zerową prędkością początkową, a następnie jest przyspieszany przez pole elektryczne wiązki laserowej .
Połowa cyklu optycznego po jonizacji elektron zmieni kierunek w miarę zmiany pola elektrycznego i przyspieszy z powrotem w kierunku jądra macierzystego. Po powrocie do jądra macierzystego może następnie emitować promieniowanie podobne do bremsstrahlung podczas procesu rekombinacji z atomem, gdy powraca do swojego stanu podstawowego . Opis ten stał się znany jako model zderzeniowy generowania wysokich harmonicznych.
Ponieważ częstotliwość emitowanego promieniowania zależy zarówno od energii kinetycznej, jak i potencjału jonizacji, różne częstotliwości są emitowane w różnym czasie rekombinacji (tzn. emitowany impuls jest ćwierkany ). Co więcej, dla każdej częstotliwości istnieją dwa odpowiadające sobie czasy rekombinacji. Nazywamy te dwie trajektorie trajektorią krótką (które są emitowane jako pierwsze) i trajektorią długą.
Niektóre interesujące ograniczenia procesu HHG, które wyjaśniono w tym modelu, pokazują, że HHG wystąpi tylko wtedy, gdy napędzające pole lasera jest spolaryzowane liniowo. Eliptyczność wiązki laserowej powoduje, że powracający elektron omija jądro macierzyste. Mechanicznie kwantowo zmniejsza się nakładanie się powracającego pakietu fal elektronowych z pakietem fal jądrowych. Zaobserwowano to doświadczalnie, gdzie intensywność harmonicznych gwałtownie spada wraz ze wzrostem eliptyczności. Innym efektem ograniczającym intensywność lasera napędowego jest siła Lorentza . Przy natężeniu powyżej 10 16 Wcm- 2 składnik magnetyczny impulsu laserowego, który jest ignorowany w optyce o słabym polu, może stać się wystarczająco silny, aby odchylić powracający elektron. Spowoduje to „przeoczenie” jądra macierzystego, a tym samym zapobiegnie HHG.
Dopasowanie fazowe
Jak w każdym procesie nieliniowym , dopasowanie fazowe odgrywa ważną rolę w generowaniu wysokich harmonicznych w fazie gazowej. Cztery przyczyny niedopasowania wektora falowego to: dyspersja neutralna, dyspersja plazmy, faza Gouy i faza dipolowa.
Neutralna dyspersja jest spowodowana przez atomy, podczas gdy dyspersja plazmy jest spowodowana przez jony, a oba mają przeciwne znaki. Faza Gouy jest spowodowana skokiem fazy czoła fali w pobliżu ogniska i zmienia się wzdłuż niego. Wreszcie faza dipolowa powstaje z odpowiedzi atomowej w procesie HHG. Stosując geometrię strumienia gazu, optymalne warunki do generowania wysokich harmonicznych emitowanych z krótkich trajektorii uzyskuje się, gdy gaz generujący znajduje się za ogniskiem, natomiast generowanie wysokich harmonicznych z długiej trajektorii można uzyskać poza osią, gdy gaz generujący jest zlokalizowany przed ogniskiem.
Ponadto, zastosowanie geometrii luźnego ogniskowania dla pola napędowego umożliwia większą liczbę emiterów i fotonów przyczynianie się do procesu generowania, a tym samym zwiększenie wydajności harmonicznej. Podczas korzystania z geometrii strumienia gazowego skupienie lasera na dysku Macha może zwiększyć wydajność generowania harmonicznych.
Zobacz też
- Fizyka attosekundowa
- Optyka nieliniowa
- Fotojonizacja
- Rezonansowe generowanie wysokich harmonicznych z piór plazmowych poddanych ablacji laserowej