Генерация аттосекундных электромагнитных импульсов при
реклама
ГЕНЕРАЦИЯ АТТОСЕКУНДНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ СВЕРХИНТЕНСИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ В.В.Стрелков Институт общей физики им. А.М.Прохорова РАН Москва Пространственные и временные масштабы, характерные для различных микроскопических объектов Области длин волн и длительностей импульса, покрываемые различными источниками когерентного электромагнитного излучения. Пунктирная кривая – предельно-короткий импульс (длительность импульса равна периоду поля). Видно, что в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазоне приблизиться к этому переделу позволяют источники, основанные на генерации гармоник высокого порядка. F~sin(wt) x~sin(wt) F~sin(wt) x~sin(wt)+a2sin(2wt)+ a3sin(3wt)+… пока F<<Fсвяз генерация гармоник описывается теорией возмущений, поэтому an~(F/Fсвяз)n генерация НИЗКИХ гармоник Удвоение частоты света в кристалле ниобата натрия Ba2NaNb5O5. Зелёный цвет — натуральный цвет излучения второй гармоники; невидимое глазом инфракрасное излучение неодимового лазера регистрируется на специально сенсибилизированной цветной пленке как красное. когда F~Fсвяз возможна генерация ВЫСОКИХ гармоник В оптике Fсвяз= Fатомн~e2/r2Bohr focused intensity W/cm2 1030 1025 Quantum electrodynamics I ~ 1026 W/cm2 vacuum relativistic protons I ≈ 1022 W/cm2 1020 1015 solid target owerdense plasma relativistic electrons I ≈ 2,73×1018 W/cm2 atom Coulomb field I ≈ 3×1016 W/cm2 mode-locking 1010 1960 QED experiments proton acceleration gas target underdense plasma CPA atoms and molecules Q-switching 1970 1980 electron acceleration ICF hadron therapy, isotope prodaction protongraphy gamma radiation Line acc. attosecond pulse generation generation of THz radiation intra-atomic physics attophysics 1990 2000 2010 Прогресс в повышении пиковой интенсивности лазерных источников План: Генерация высоких гармоник при взаимодействии интенсивного лазерного излучения с газами. Современные достижения в области получения аттосекундных импульсов. Резонансная генерация высоких гармоник: путь повышения эффективности генерации. Генерация когерентного ультрафиолетового и рентгеновского излучения при взаимодействии сверхинтенсивного лазерного излучения с поверхностью лазерный импульс интенсивность: 1014 – 1015 Вт/см2 длительность: 1 пс – 5 фс параметр Келдыша: g<1 I g 2U гармоники номера: до ~5000 длина волны: до 0.3 нм эффективность преобразования: менее 10-4 газообразная мишень e2 E 2 U 4 mw 2 15 17 19 21 23 Experiment: Ar, Ti:Sapp laser 800 nm, 2 1014 W/cm2 harmonic signal, arb. un. пондеромоторная 10 энергия 25 2w 8 6 27 4 29 2 0 25 30 35 40 photon energy, eV 45 Высокочастотная граница плато N max I 3U w e2 E 2 U 4 mw 2 λ= 0.8 μm λ= 2 μm N max I 3U w Up I l2 J. Tate, T. Auguste, H.G. Muller, P. Salieres, P. Agostini, and L.F. DiMauro “Scaling of wavepacket dynamics in an intense midinfrared field”, PRL 98, 013901 (2007) Интенсивность плато Интенсивность 2w 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 E T/2 порядок гармоники время 1. ИОНИЗАЦИЯ 2. ДВИЖЕНИЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПОЛЯ h ~ 100 ас 3. ГЕНЕРАЦИЯ КОРОТКОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Кучиев М. Ю., Письма в ЖЭТФ, 1987 P.Corkum, PRL, 1993 E 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 порядок гармоники h 1 h 2 Интенсивность Интенсивность плато T/2 время Трехступенчатый механизм P.B. Corkum “Plasma perspective on strong-field multiphoton ionization”, PRL 71, 1994 (1993) longer path shorter path e2 E 2 U 4 mw 2 t Вейвлет-преобразование сигнала гармоник, рассчитанного численно. Сплошной зависимость полученная кривой E представлена (t ) I p w0 из kin , анализа классических траекторий электрона. Временной профиль сигнала гармоник в частотном окне от 171-й до 191-й гармоники квантовомеханические теории: М.Levenstein et. al., 1994 W.Becker et. al., 1994 В.Т.Платоненко, 2000 V.Strelkov, 2006 Экспериментальные результаты по измерению длительности аттосекундного импульса. Длительность импульса 170 ас, что составляет лишь 1.2 периода несущей частоты (ультрафиолетового излучения) R. Lopez-Martens, PRL, 2005 генерация высоких гармоник: Agostini Charalambidis Krausz 80 as годы Прогресс в уменьшении длительности электромагнитных импульсов Зависимость от эллиптичности лазерного излучения линейная поляризация E h эллиптическая поляризация WAYS OF A SINGLE ATTOPULSE GENERATION: “AMPLITUDE GATING” Very short (less than 5fs) fundamental pulse Hentschel et. al.: Nature 414, 509 (2001) WAYS OF A SINGLE ATTOPULSE GENERATION: “AMPLITUDE GATING” Very short (less than 5fs) fundamental pulse Hentschel et. al.: Nature 414, 509 (2001) “ELLIPTICITY GATING” Ellipticity-modulated fundamental pulse e- Интенсивность 15% Corkum, et. al.: Optics Letters 19, 1870 (1994) Platonenko, Strelkov: JOSA. B 16, 435 (1999) Sola, et. al., Nature Physics, 2, 281(2006) время ELLIPTICITY GATING Carrierj=0 Envelope Phase j=p/2 E(t)=F(t)cos(wt+j) Field with time-varying ellipticity: Platonenko, Strelkov JOSA B (1999) th 2 ln 2 th – threshold ellipticity Strelkov V., et. al. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. (2005) ELLIPTICITY GATING theory: V. Strelkov, PRA, 2006 experiment+simulation: Sola, et. al., Nature Physics, 2, 281(2006) Sansone G, et. al., Science 314 443 (2006) XUV signal (arb. units) 1.0 Simulation 0.5 0.0 1.0 Experiment 0.5 Ar, 5fs pulse,- 2.2 1014 W/cm2 e 0.0 20 25 30 35 40 45 50 55 Photon energy (eV) 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -1.0 eee- -0.5 0.0 0.5 time [fs] 1.0 1.5 2.0 e- План: Генерация высоких гармоник при взаимодействии интенсивного лазерного излучения с газами. Современные достижения в области получения аттосекундных импульсов. Резонансная генерация высоких гармоник: путь повышения эффективности генерации. Генерация когерентного ультрафиолетового и рентгеновского излучения при взаимодействии сверхинтенсивного лазерного излучения с поверхностью Resonant HHG: review of experiments In harmonics main laser pulse 1015 W/cm2 In+ 1017 –1018 cm-3 ionization degree ~1 Resonant HHG: review of experiments efficiency 10-4 strong ellipticity dependence R. A. Ganeev, Physics-Uspekhi, 52, 55 (2009). R. A. Ganeev, L. B. Elouga Bom, J.C. Kieffer, and T. Ozaki, Phys Rev A 75, 063806 (2007). R. A. Ganeev, M. Suzuki, M. Baba, H. Kuroda, T. Ozaki, Opt. Lett., 31, 1699 (2006). … Kr, Xe Theoretical prediction: Frolov, Manakov, et. al., PRA 2010 Experiment A. D. Shiner, B. E. Schmidt, C. Trallero-Herrero, H. J. Wörner, S. Patchkovskii, P. B.Corkum, J-C. Kieffer, F. Légaré and D. M. Villeneuve, Nature Phys., March 6, 2011 W Resonant HHG model 3 3* I 1 4 2 W 2 3* I 1 V. Strelkov, PRL, 2010 Resonant harmonic enhancement: comparison of the experimental, numerical and analytical results [5] experiment numerical TDSE solution theory + enhancement In 100 [9] [4] [6] Cr [7] + [8] + Sb + Sn 10 + Mn 400nm [9] [5] [9] 13 17 + [9] 21 [9] Cr [9] 400nm 25 harmonic order 29 33 План: Генерация высоких гармоник при взаимодействии интенсивного лазерного излучения с газами. Современные достижения в области получения аттосекундных импульсов. Резонансная генерация высоких гармоник: путь повышения эффективности генерации. Генерация когерентного ультрафиолетового и рентгеновского излучения при взаимодействии сверхинтенсивного лазерного излучения с поверхностью D. von der Linde,1995 модель осциллирующего зеркала S. V. Bulanov, 1994 von der Linde , 1996 модель осциллирующего зеркала Tsakiris, 2006 Благодарности: В.Т. Платоненко, физический ф-т МГУ E.Constant, E.Mevel, CELIA, Bordeaux, France М.Ю.Рябикин, А.А. Гоносков , ИПФ РАН, Нижний Новгород Выводы: При генерации высоких гармоник интенсивного лазерного излучения в газах получены аттосекундные ультрафиолетовые импульсы длительностью около 100 ас. Многие особенности процесса могут быть поняты в рамках трехступенчатой модели и основанных на ней квантовомеханических теориях. Резонансная генерация высоких гармоник позволяет существенно увеличить эффективность процесса. Расчеты показывают, что при взаимодействии лазерного излучения релятивистской и ультрарелятивистской интенсивности с поверхностью возможна генерация аттосекундных импульсов длительностью около 1 ас и интенсивностью, существенно превышающей интенсивность генерирующего излучения.
