Генерация аттосекундных электромагнитных импульсов при

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
2w
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.