Пространственные и временные масштабы, характерные...

ГЕНЕРАЦИЯ АТТОСЕКУНДНЫХ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ ПРИ

ВЗАИМОДЕЙСТВИИ СВЕРХИНТЕНСИВНОГО

ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

В.В.Стрелков

Институт общей физики им. А.М.Прохорова РАНМосква

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(t)

x~sin(t)

F~sin(t)

x~sin(t)+2sin(2t)+ 3sin(3t)+…

пока F<<Fсвяз генерация гармоник описывается теорией возмущений, поэтому n~(F/Fсвяз)n генерация НИЗКИХ гармоник

когда F~Fсвяз возможна генерация ВЫСОКИХ гармоник

В оптике Fсвяз= Fатомн~e2/r2Bohr

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.

CPAmode-locking

Q-switching1010

1015

1020

1025

1030

focu

sed

inte

nsity

W/c

m2

1960 1970 1980 1990 2000 2010

atom Coulomb field I ≈ 3×1016 W/cm2

relativistic electrons I ≈ 2,73×1018 W/cm2

relativistic protons I ≈ 1022 W/cm2

Quantum electrodynamics

I ~ 1026 W/cm2

atoms and molecules

gas target underdense plasma

solid target owerdense plasma

vacuum

attophysics

generation of THz radiation intra-atomic

physics

electron acceleration

proton acceleration

attosecond pulse

generation

protongraphy

hadron therapy, isotope

prodaction

ICF

Line acc.

gamma radiation

QED experiments

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

25 30 35 40 450

2

4

6

8

10

harm

onic

sig

nal,

arb.

un.

photon energy, eV

2

15 17 19 232125

27

29

Experiment:

Ar,

Ti:Sapp laser

800 nm,

2 1014 W/cm2

газообразная мишень

лазерный импульсинтенсивность:1014 – 1015 Вт/см2

длительность:1 пс – 5 фспараметр Келдыша: <1

гармоникиномера: до ~5000длина волны: до 0.3 нмэффективность преобразования:менее 10-4

UI

2 2

22

4 mEeU

пондеромоторная энергия

2

22

4 mEeU

Высокочастотная граница плато

UIN 3

max

J. Tate, T. Auguste, H.G. Muller, P. Salieres, P. Agostini, and L.F. DiMauro “Scaling of wave-packet dynamics in an intense midinfrared field”, PRL 98, 013901 (2007)

J. Tate, T. Auguste, H.G. Muller, P. Salieres, P. Agostini, and L.F. DiMauro “Scaling of wave-packet dynamics in an intense midinfrared field”, PRL 98, 013901 (2007)

λ= 0.8 μm λ= 2 μm

Up I 2

UIN 3

max

E

h ~ 100 ас

порядок гармоники

T/2

Инт

енси

внос

ть

время3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35

плато

Инт

енси

внос

ть

1. ИОНИЗАЦИЯ

2. ДВИЖЕНИЕ

ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПОЛЯ

3. ГЕНЕРАЦИЯ КОРОТКОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Кучиев М. Ю., Письма в ЖЭТФ, 1987

P.Corkum, PRL, 1993

E

1h

2h

T/2

Инт

енси

внос

тьвремя

порядок гармоники

3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35

платоИ

нтен

сивн

ость

Трехступенчатый механизм

P.B. Corkum “Plasma perspective on strong-field multiphoton ionization”, PRL 71, 1994 (1993)

shorter path

longer path

t

2

22

4 mEeU

Вейвлет-преобразование сигнала

гармоник, рассчитанного численно.

Сплошной кривой представлена

зависимость ,

полученная из анализа

классических траекторий электрона.

0kin )( pItE

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

годы

AgostiniCharalambidis

Krausz

Прогресс в уменьшении длительности электромагнитных импульсов

80 as

генерация высоких гармоник:

Зависимость от эллиптичности лазерного излучения

E

h

линейная поляризация эллиптическая поляризация

WAYS OF A SINGLE ATTOPULSE GENERATION:

Very short (less than 5fs) fundamental pulseHentschel et. al.: Nature 414, 509 (2001)

“AMPLITUDE GATING”

WAYS OF A SINGLE ATTOPULSE GENERATION:

Very short (less than 5fs) fundamental pulseHentschel et. al.: Nature 414, 509 (2001)

Ellipticity-modulated fundamental pulseCorkum, et. al.: Optics Letters 19, 1870 (1994)Platonenko, Strelkov: JOSA. B 16, 435 (1999)Sola, et. al., Nature Physics, 2, 281(2006)

“AMPLITUDE GATING”

“ELLIPTICITY GATING”

%15

e-И

нтен

сивн

ость

время

E(t)=F(t)cos(t+) =/2

=Carrier-

Envelope

Phase

ELLIPTICITY GATING

Field with time-varying ellipticity: Platonenko, Strelkov JOSA B (1999)

2ln

2

th

– threshold ellipticityth

Strelkov V., et. al. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. (2005)

20 25 30 35 40 45 50 550.0

0.5

1.0

XU

V s

igna

l (ar

b. u

nits

)

Photon energy (eV)

0.0

0.5

1.0

theory: V. Strelkov, PRA, 2006

experiment+simulation: Sola, et. al., Nature Physics, 2, 281(2006)Sansone G, et. al., Science 314 443 (2006)

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.00.20.40.60.81.0

Experiment

e-

e-

e-

e-

e-

time [fs]

Simulation

ELLIPTICITY GATING

Ar, 5fs pulse, 2.2 1014 W/cm2

План:




In

In+

harmonics

1017 –1018 cm-3 ionization degree ~1

main laser pulse 1015 W/cm2

Resonant HHG: review of experiments

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).

…

efficiency 10-4

strong ellipticity dependence

Resonant HHG: review of experiments

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

I

2

1

3*I 3*

4

3

2

1

V. Strelkov, PRL, 2010

Resonant HHG model

13 17 21 25 29 33

10

100

[9]

[8]

[9][9]

[7]

[5]

[9]

[6]

[9]

[9]

[4]

[5]In+

Mn+

400nmSn+ Sb+

Cr+

400nm

Cr+

experiment numerical TDSE solution theory

enha

ncem

ent

harmonic order

Resonant harmonic enhancement: comparison of the experimental, numerical and analytical results

План:




D. von der Linde,1995

S. V. Bulanov, 1994

von der Linde , 1996

модель осциллирующего зеркала

Tsakiris, 2006

модель осциллирующего зеркала

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.

Пространственные и временные масштабы, характерные...

Documents