北京大学 超快超强激光物理学
7.6nm 135次
1993， J.J. Macklin et al, PRL 70, P.774 Ti:S laser (第一次）125fs, 800nm Ne 7.4nm 109次
1997， Z.H. Chang et al, PRL 79,P.2967 Ti:S, 26fs, 780nm He 2.73nm 297次
超快超强激光物理学
第五讲 高次谐波及阿秒脉冲
龚旗煌 教授
北京大学物理学院现代光学研究所 人工微结构和介观物理国家重点实验室 中科院－北京大学联合超快光科学和激光物理中心
本文撰写时间仓促，有错误和不足之处，恳请批评指正。版权所有，引用请与作者联系！
第五讲、高次谐波与阿秒脉冲 一、概况 二、高次谐波产生机理 三、突破水窗极限研究 四、位相匹配实验研究 五、as脉冲测量— — 电子相关法 六、展望
1KHz, 800nm
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29阶
理论推 导结果
B,D 考虑 2%电离
31阶
改变气压，可以实现23 次— — 31次相位匹配
效率提高 102 - 103 达到10-4 - 10-6效率
未匹配X-ray空 北京大学 超快超强激光物理学 间发布
匹配X-ray空间 发布
H.R. Lange et al, PRL 81 (1998) 1611 利用自波导超短激光脉冲实现 “准”相位匹配 Ti:S laser, 130fs, 3mJ
1997, Ch. Spielmann et al, Science 278, P. 661 Ti:S, 5fs, 780nm He < 3nm
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研究方向： 1、提高转换效率新技术、新方法 典型效率10-8-10-9 2、更短波长辐射的获得 — — 水窗 (已获 得） 3、更短脉冲宽度辐射的获得 — — 阿秒脉冲
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t1时刻 as X-ray激发出自由电 子 激光场作用，附加上光感生动 量变化 ∆Px(t1) ∆Px(t1)大小 t2 = t1 + T0/4 t3 = t1 + T0/2 两场相位关系
t3 、 t1时刻 位相相差 π : ∆Px(t1) = - ∆Px(t3)
北京大学 超快超强激光物理学 测得光电子能量展宽分布一样 变化周期 T0/2
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三、突破水窗极限研究 截止波长与激光的关系： hνc = Ip + 3.17Up Up = 9.33 ×1014Is λ2
PRA 41(1993)4193 Is 代入
hνc, Ip — — eV
a = 0.5,
τ ---- 脉宽
p — — 电离几率 ， Glm = 3 (= 1 for He ), C n*l* = 2
hνc — — 与北京大学 脉宽、波长直接相关 超快超强激光物理学
26fs, 800nm, 6×1015W/cm2 Ne (21.6eV ) : 4.9nm (253eV) 163次 He (24.6eV): 2.4nm (518eV) 333次 100fs脉宽： Ne离能12.13, 13.99, 15.76, 21.6, 24.6eV
高次谐波研究进展： 1987， Mc Pherson et al, JOSA B4, P.595 KrF laser 248nm >20GW, 1ps, He,Ne,Ar,Kr,Xe 14.6nm (Ne) 17次
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一、概况
飞秒强场 高度非线性作用 高次谐波（相干超 短软X射线）产生
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120fs,800nm, 1015W/cm2 , neon targe 21阶次和111阶次谐波光强变化不超 过 10倍。 PRL 70 (1993)766 超快超强激光物理学
相干超短软X射线广泛应用前景： 1、生物、生命科学：高时空分辨活体结构显微和 全息成像（ 2.3 - 4.4nm水窗） 2、化学：飞秒时间尺度的化学反应（轻元素） 3、材料科学：超快时间分辨X射线衍射、材料中的 超快过程 4、微电子学：纳米尺度（ 5-20nm）光刻 5、非线性光学： X 射线波段 6、阿秒科学：阿秒产生、电子运动动力学 （H 玻尔轨
PRL 79 （1997）2967
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Ne高次谐波信号
He高次谐波信号
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He Ne Ar
Kr Xe
不同惰性气体高次谐波截止阶数实验— — 理论结果比较
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四、位相匹配实验研究
高次谐波应用需要相当功率密度 位相匹配 — — 最重要的研究内容 基频光与谐波通过 约50µm,位相差 π
50µm
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Science 280 (1998) 1412 惰性气体充在毛细管内
A. Rundquist et al
1、克服激光自聚焦效应， 2、 波导 贡献 原子和等离子色散贡献 δ(λ) ---- 原子色散系数，a 波导半径， unm波导模式对应常数 ∆ K =qKlaser - KX-ray 通过改变波长、尺寸、 气压，改变激光群速 有效改善相位匹配
P.M. Paul et al
Science 292 (2001)1689
钨反射镜
td= -1.7fs
A— — 谐波产生光电子谱，B,C — — 不 同延时时IR +谐波产生光电子谱 北京大学 超快超强激光物理学
td= -2.5fs
谐波不同边带与IR激光激发 光电子能量随td的变化 the first three curves oscillate in phase; the lowest one is shifted forward by 0.35fs. T=1.35fs (half the cycle time of the IR fs laser )
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高次谐波最有效方法
二、高次谐波产生机理：
1) 基态电子在强激光场中发生隧道电离； 2）电离的电子在激光场作用下做振荡运动， 当它返回母离子并复合回原子基态时，放出 光子。 光子的能量为：h ω= Ip + Ekin Ip ----- 原子电离势， Ekin ---- 返回电子动能
道电子绕核运动一周时间152as)
北京大学 7、原子、分子物理： X超快超强激光物理学 射线波段光谱
超短波长（软X射线）获得基本方法： 1、 自由电子激光（FEL) 高能电子加速度产生韧致辐射，这辐射又与 高能电子作用， 将电子能量转化为相干辐射。λ ∝1/E2 （ E电子能量 ） 目前 λ 可见范围 2、高剥离离子X射线相干辐射 强激光轰击固体靶，在高剥离离子态上建立 粒子数反转，实现短波长受激辐射和放大 λ ∝1/P4 （P 激光功率） 3.56nm (ASE) 3、非线性光学方法 — — 参量过程、高次谐波 飞秒激光
1989， X.F Li et al, Phys. Rev. A39, P.5751 Nd:YAG laser 1064nm, 36ps, 2GW Ar, Kr, Xe 32.2nm (Ar) 33次
1993 A. L‘ Huillier et al, PRL 70 P.774 Nd:YAG laser 1064nm Ne
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11-19次谐波合成得到250as脉冲
六、展望
近几年 阿秒已出现了曙光 — — 超快研究开创新的领域 阿秒光谱 （阿秒科学） 高次谐波位相匹配研究有重要进展 — — 促进超 短X-ray的实际应用
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参考文献
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hω= Ip + Ekin
Ekin 最大值为
3.17Up
Up = e2E 2/4meω02 = 9.33 ×1014Is (W/cm2)λ2(µm) 有质动力势 (Ponderomotive Energy ) Is — — 饱和强度
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非线性光学（微扰论）： 激光场作为微扰项 谐波效率随级次的升高急剧降低 非微扰： 激光场（>1015W/cm2)与库仑场相当或超过 实验表明：最低几次谐波的强度快速下降（类似微扰 结果），随后出现包含许多谐波级次的平台区，平台 区有一个快速下降的高次谐波截止。 截止频率与气体分子的电离能有关： 采用惰性气体 Xe, Kr, Ar, Ne, He
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高次谐波— — 规律性、完美性
30 — — 7.5nm 谐波辐射与激光纵模结构相似 相干迭加 10as脉宽输出
问题：真空系统中 谐波信号弱 如何测量
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五、as脉冲测量— — 电子相关法
fs IR laser + as X-ray X-ray --- 激发原子给出一定量的自由电子 飞秒光脉冲电场对电子动量改变∆P(t)在不同时刻是不同的 （取决于电场矢量位相与X-ray位相的关系） 一定接收角下， 测量电子动量分 布随laser 和Xray相对延迟的 变化，可以测量 亚飞秒脉冲
M. Drescher et al, Science 291 (2001) 1923
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光电子能量 — — 延时td变化 周期 T0/2
X-ray 脉宽< T0/4 0.6fs ( 750nm ) 第一次直接获得 到小于飞秒的分 辨测量
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位相测量通过 2-photon (IR + X-ray) 光电离