2003 年 8 月 31 日 ( 日 ) 応用物理学会秋季学術講演会(福岡大学)
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高強度軟エックス線パルス同時照射による He + イオンからの高調波発生の飛躍的増大 Dramatically enhanced high-order harmonic generation from He + under simultaneous laser and soft x-ray pulse irradiation. 2003 年 8 月 31 日 ( 日 ) 応用物理学会秋季学術講演会(福岡大学). 石川顕一 東京大学大学院工学系研究科 Web: http://ishiken.free.fr E-mail: [email protected]. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
石川顕一
応物 2003年8 月 31日 石川顕一 No. 1
高強度軟エックス線パルス同時照射による He+ イオンからの高調波発生の飛躍的増大
Dramatically enhanced high-order harmonic generation from He+ under simultaneous laser and soft x-ray pulse irradiation
2003年 8 月 31日 ( 日 )
応用物理学会秋季学術講演会(福岡大学)
石川顕一東京大学大学院工学系研究科
Web: http://ishiken.free.frE-mail: [email protected]
石川顕一
応物 2003年8 月 31日 石川顕一 No. 2
高次高調波発生
近年の高次高調波発生技術の進歩により、高強度のコヒーレント軟エックス線・極端紫外 (XUV)光パルスの発生が可能になってきている。
■ 理化学研究所レーザー物理工学研究室 ( 緑川克美 ) 0.33 J @ = 29.6 nm (Ti:Sapphire H27) 1 J @ = 54 nm (Ti:Sapphire H15) 4.7 J @ = 62.3 nm (Ti:Sapphire H13) 7 J @ = 72.7 nm (Ti:Sapphire H11)
■ CEA-Saclay, DSM/DRECAM/SPAM (P. Salieres) 1.9 J @ = 53.3 nm (Ti:Sapphire H15)
■ 東京大学物性研究所 ( 渡部俊太郎 ) 1.2 J @ = 49.7 nm (KrF Excimer H5)
Takahashi et al.
Phys. Rev. A 66, 021802(2002)
Opt. Lett. 27, 1920(2002)
JOSA B 20, 158 (2003)
Hergott et al.
Phys. Rev. A 66, 021801 (2002)
Yoshitomi et al.
Opt, Lett. 27, 2170 (2002)
石川顕一
応物 2003年8 月 31日 石川顕一 No. 3
高次高調波発生
これまで可視光近傍に限られていた高強度場物理現象の、短波長領域 ( 極端紫外・軟エックス線 ) での実現も夢ではない!
4.7 4.7 J @ J @ = 62.3 nm = 62.3 nm (Ti:Sapphire H13)(Ti:Sapphire H13)
4.7 4.7 J @ J @ = 62.3 nm = 62.3 nm (Ti:Sapphire H13)(Ti:Sapphire H13)
ミラーで 10m2 に集光パルス幅 < 30 fs
0.33 0.33 J @ J @ = 29.6 = 29.6 nm (Ti:Sapphire H27)nm (Ti:Sapphire H27)0.33 0.33 J @ J @ = 29.6 = 29.6
nm (Ti:Sapphire H27)nm (Ti:Sapphire H27)
1014 W/cm21015 W/cm2
軟エックス線極端紫外
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応物 2003年8 月 31日 石川顕一 No. 4
Numerical experiments for He+
■ Two-photon ionization of He+ by the 27th harmonic of a Ti:Sapphire laser (物理学会 2002年春)
■ Three-photon ionization of He+ by the 13th harmonic of a Ti:Sapphire laser (応物学会 2003年春)
■ Simultaneous laser and soft x-ray (Ti:S H27) pulse irradiation to He+
PhotoemissionIonization
応物 2003年 8 月 31日 石川顕一 No. 5
ModelModel
Numerical methodNumerical method– Alternating direction implicit (Peaceman-Rachford) methodAlternating direction implicit (Peaceman-Rachford) method
HeHe2+ 2+ YieldYield– evaluated as the number of electrons absorbed by the mask evaluated as the number of electrons absorbed by the mask
function at the outer radial boundary.function at the outer radial boundary. Harmonic intensityHarmonic intensity
– obtained from the Fourier transform of the dipole accelerationobtained from the Fourier transform of the dipole acceleration
Time-dependent Schrodinger equationTime-dependent Schrodinger equation
€
i∂Φ r,t( )
∂t= −
12∇2 −
2r
− zE t( ) ⎡ ⎣ ⎢
⎤ ⎦ ⎥Φ r,t( )
Field of the combined harmonic and fundamental pulse
Field of the combined harmonic and fundamental pulse
応物 2003年 8 月 31日 石川顕一 No. 6
High-order harmonic generationHigh-order harmonic generation(Fundamental pulse alone)(Fundamental pulse alone)
In the case of In the case of HeHe++......– Higher energy cut-offHigher energy cut-off– But… Extremely low But… Extremely low
efficiencyefficiency
Cut-off energy of HHG
€
Ec = IP + 3.17UP
Ionization potentialPonderomotive energy
€
UP =e2E2
4mω2
Pulsewidth = 10 fs
40.8 eV40.8 eV
11ss
2s, 22s, 2pp
EE = 0 = 0
HeHe++
54.4 eV54.4 eV
Field ionization
Classical motion
Recombinationphotoemission
Sim
plem
an’s th
eory
P. Corkum (1993)
Ti:S H27 Ti:S H27 〜 〜 40 eV40 eV
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応物 2003年8 月 31日 石川顕一 No. 7
基本波+ 27次高調波同時照射
ヘリウムイオン軟エックス線(高調
波)レーザー光 さらに高次の高調波
17桁の増大!
■ The harmonic intensity is enhanced by 17 orders of magnitude!
■ The cut-off energy remains high.
■ The efficiency is even slightly higher than [Laser → H]Pulsewidth = 10 fs
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応物 2003年8 月 31日 石川顕一 No. 8
基本波+ 27次高調波同時照射
ヘリウムイオン軟エックス線(高調
波)レーザー光 さらに高次の高調波
Pulsewidth = 10 fsLaser (3x1014W/cm2)+H27 (1012W/cm2)
■ 高調波強度は、基本波波長に大きくは依存しない。
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応物 2003年8 月 31日 石川顕一 No. 9
メカニズム
40
.8 e
V
11ss
22ss
EE = 0 = 0
HeHe++
27次
Field
ion
izati
on
基本波
40
.8 e
V
11ss
22pp
EE = 0 = 0
HeHe++
27次
Field
ion
izati
on
仮想準位
Two-color frequency mixing
仮想準位からの OFI
Harmonic generation from a coherent superposition of states
Watson et al., Phys. Rev. A53, R1962 (1996)
応物 2003年 8 月 31日 石川顕一 No. 10
The yield by [fundamental+H27] >>>>> [fundamental alone] or [H27 alone]– H27 plays a major role in 1s → 2p– Fundamental plays a major role in 2p → continuum
The yield by [fundamental+H27] is proportional to the H27 intensity.– Saturation at the higher intensity
Fundamental (800nm)
H27 He2+ yield
3×1014 W/cm2 2.29×10-15
1014 W/cm2 4.14 ×10-4
3×1014 W/cm2 1014 W/cm2 0.815
3×1014 W/cm2 1013 W/cm2 0.170
3×1014 W/cm2 1012 W/cm2 1.85×10-2
3×1014 W/cm2 1011 W/cm2 1.86×10-3
1015 W/cm2 1013 W/cm2 0.083
Both are necessary for efficient ionization !
HeHe2+2+ yield ( yield (イオン化イオン化 ))
Decr
ease
of
the y
ield
!!
Laser intensity
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応物 2003年8 月 31日 石川顕一 No. 11
基本波強度依存性
■ イオン化の収量は、基本波強度の単調増加関数ではない!
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応物 2003年8 月 31日 石川顕一 No. 12
波長依存性
H27
H27-fund.
H27-2xfund.
H27: 1013 W/cm2
27次
40
.8 e
V
11ss
22pp
EE = 0 = 0
HeHe++Field
ion
izati
on
40
.8 e
V
11ss
22pp
EE = 0 = 0
HeHe++
27次Fi
eld
ion
izati
on
仮想準位
40
.8 e
V
11ss
22ss
EE = 0 = 0
HeHe++
27次
Field
ion
izati
on
基本波
石川顕一
応物 2003年8 月 31日 石川顕一 No. 13
基本波には3つの役割がある。
H27
H27-fund.
H27-2xfund.
H27: 1013 W/cm2
40
.8 e
V
11ss
22ss
EE = 0 = 0
HeHe++
27次
Field
ion
izati
on
基本波
■ To field-ionize from the excited levels.■ To assist the transition to the excited levels
through two-color photon excitation■ To shift and broaden the excited levels through
the dynamic Stark effect.
複雑な基本波強度依存性
波長 800nmの場合
応物 2003年 8 月 31日 石川顕一 No. 14
SummarySummary
Dramatic enhancement ofDramatic enhancement ofharmonic photoemissionharmonic photoemission
ionizationionization
Combined high-order harmonic and fundamental laser pulseCombined high-order harmonic and fundamental laser pulse(H27)
compared with the case of the fundamental pulse alone
This might open a way to develop an intense light This might open a way to develop an intense light source with an even shorter wavelength than available source with an even shorter wavelength than available today.today.