Генерация нелинейного и экстремального оптического излучения
Генерация гармоник высокого порядка
Одним из наиболее сложных и интересных применений высокоэнергетических фемтосекундных импульсов является генерация гармоник высокого порядка.
Описание
Что такое генерация гармоник высокого порядка?
Генерация гармоник высокого порядка — одно из наиболее сложных и интересных применений высокоэнергетических фемтосекундных импульсов. Фокусировка интенсивных лазерных импульсов в газовой мишени позволяет генерировать гармоники значительно более высокого порядка, чем в традиционных твёрдотельных нелинейных материалах, вплоть до диапазона экстремального ультрафиолета (EUV) и даже мягкого рентгеновского излучения. Благодаря широкой спектральной полосе и короткой длине волны полученные импульсы могут достигать аттосекундного масштаба длительности.
Трёхступенчатая модель
В общем случае генерацию гармоник высокого порядка можно описать упрощённой полуклассической трёхступенчатой моделью. Сначала интенсивное лазерное поле на короткое время понижает кулоновский потенциал атома. Затем электронный волновой пакет туннелирует в континуум и ускоряется управляющим лазерным полем. Когда направление управляющего поля меняется на противоположное, электронный волновой пакет возвращается к атомному остову и интерферирует с оставшимся связанным электронным волновым пакетом в основном состоянии системы. В результате интерференции возникает всплеск когерентных фотонов с энергиями от десятков до тысяч электронвольт (eV). Поскольку этот процесс повторяется в каждом полупериоде лазерного поля, интерференция последовательных импульсов формирует нечётные гармоники высокого порядка основной частоты, а во временной области — последовательность аттосекундных импульсов.
Интенсивность и частота повторения импульсов
Для генерации гармоник высокого порядка обычно требуется интенсивность лазерного излучения порядка 10¹⁴ W/cm², чтобы деформировать кулоновский потенциал, обеспечить туннелирование электрона и его ускорение до высоких энергий. Такие поля обычно получают в системах с высокой пиковой мощностью, например в системах оптического параметрического усиления чирпированных импульсов (OPCPA). Вместе с тем генерация гармоник высокого порядка продемонстрирована и при непосредственном использовании излучения основной частоты фемтосекундных лазеров CARBIDE и PHAROS. Лазерные источники на Yb представляют особый интерес благодаря высокой частоте повторения импульсов. Традиционно генерация гармоник высокого порядка ограничивалась низкой частотой повторения — не выше нескольких килогерц. Для многих научных применений генерации гармоник высокого порядка полезна более высокая частота повторения. Например, во временно-разрешённой фотоэмиссионной спектроскопии зарядовые эффекты ограничивают число испускаемых фотоэлектронов на один импульс, поэтому улучшить статистику можно только повышением частоты повторения. Сообщалось о генерации гармоник высокого порядка при 100 kHz с помощью фемтосекундного лазера PHAROS при фокусировке его излучения как в газовой камере, так и в капилляре.
Настольный источник EUV
Настольные решения для генерации сверхбыстрого когерентного EUV-излучения с высокой частотой повторения импульсов позволяют проводить эксперименты, которые ранее были возможны только на крупных синхротронных установках. Компактные лазерные системы повышают доступность, надёжность и стабильность источников гармоник высокого порядка.
Оборудование
Источники сверхкоротких импульсов
CARBIDE
Промышленный фемтосекундный лазер
Источники сверхкоротких импульсов
PHAROS
Фемтосекундный лазер миллиджоульного класса
Источники сверхкоротких импульсов
ORPHEUS-OPCPA
Настольная система OPCPA
Источники сверхкоротких импульсов
OPCPA-HE
Высокоэнергетическая система OPCPA