非線形・極限光発生

高次高調波発生

高エネルギーフェムト秒パルスの最も洗練された応用の一つが高次高調波発生である。

製品紹介

高次高調波発生とは何か？

高エネルギーフェムト秒パルスの最も洗練され、かつ興味深い応用の一つが、高次高調波発生（HHG）の過程である。強いレーザーパルスを気体ターゲットに集光することで、従来の固体非線形材料で可能な次数を大幅に上回る高次高調波を発生させ、極紫外（EUV）さらには軟X線領域にまで到達できる。同時に、広い帯域幅と短い波長により、得られるパルスはアト秒スケールに達することさえある。

3ステップモデル

一般に、高次高調波発生の過程は、簡略化された半古典的3ステップモデルによって記述できる。まず、強いレーザー場が原子のクーロンポテンシャルを一時的に抑制する。次いで、電子波束が連続状態へトンネルし、駆動レーザー場によって加速される。駆動レーザー場が反転すると、電子波束は原子コアへ引き戻され、系の基底状態に残った束縛電子波束と干渉する。この干渉により、数十から数千電子ボルト（eV）の光子エネルギーをもつコヒーレント光子のバーストが生じる。この過程はレーザー場の半サイクルごとに繰り返されるため、連続するパルス間の干渉により、基本周波数の奇数次高次高調波が生じ、時間領域ではアト秒パルス列となる。

強度と繰り返し周波数

高次高調波発生には、クーロンポテンシャルを歪ませて電子をトンネルさせ高エネルギーまで加速するため、通常10¹⁴ W/cm²程度のレーザー強度が必要である。そのような場は、通常、光パラメトリックチャープパルス増幅（OPCPA）システムのような高ピークパワーシステムによって得られる。しかし、CARBIDEおよびPHAROSフェムト秒レーザーの基本波を直接用いた高次高調波発生も実証されている。Yb系レーザー光源は、高い繰り返し周波数のため大きな関心を集めている。従来、高次高調波発生は数キロヘルツを超えない低いパルス繰り返し周波数に限られていた。高次高調波発生を用いる多くの科学応用は、より高い繰り返し周波数から恩恵を受け得る。たとえば、時間分解光電子分光では、電荷効果によって1パルスあたりの放出光電子数が制限されるため、統計はより高い繰り返し周波数で動作させることによってのみ改善できる。PHAROSフェムト秒レーザーを用い、その放射をガスチャンバーおよびキャピラリーの双方の幾何配置で集光することで、100 kHzでの高次高調波発生が報告されている。