Høy harmonisk generasjon - High harmonic generation
High harmonic generation ( HHG ) er en ikke-lineær prosess der et mål (gass, plasma, fast eller flytende prøve) blir belyst av en intens laserpuls. Under slike forhold vil prøven avgi de høye harmonene i generasjonsstrålen (over den femte harmonikken). På grunn av prosessens sammenhengende natur, er generering av høy harmonikk en forutsetning for attosekundfysikk.
Perturbativ harmonisk generasjon
Perturbativ harmonisk generering er en prosess der laserlys med frekvens ω og foton energi ħω kan brukes til å generere nye lysfrekvenser. De nylig genererte frekvensene er heltallsmultipler nω av det opprinnelige lysets frekvens. Denne prosessen ble først oppdaget i 1961 av Franken et al., Ved bruk av en rubinlaser , med krystallinsk kvarts som det ikke-lineære mediet .
Harmonisk generasjon i dielektriske faste stoffer er godt forstått og mye brukt i moderne laserfysikk (se andreharmoniske generasjon ). I 1967 New et al. observerte den første tredje harmoniske generasjonen i en gass. I monatomiske gasser er det bare mulig å produsere oddetallsovertoner av symmetrihensyn. Harmonisk generasjon i det forstyrrende (svake felt) regimet er preget av raskt avtagende effektivitet med økende harmonisk orden. Denne oppførselen kan forstås ved å vurdere et atom som absorberer n fotoner og deretter avgir en enkelt høgenergifoton. Sannsynligheten for å absorbere n fotoner avtar når n øker, og forklarer den raske reduksjonen i de innledende harmoniske intensitetene.
Utvikling
Den første generasjonen med høy harmonisk ble observert i 1977 i samspill mellom intense CO 2 laserpulser og plasma generert fra faste mål. HHG i gasser, langt mer utbredt i bruk i dag, ble først observert av McPherson og kolleger i 1987, og senere av Ferray et al. i 1988, med overraskende resultater: de høye harmonikkene ble funnet å avta i intensitet ved lave ordrer, som forventet, men ble deretter observert å danne et platå, med intensiteten av harmonene holdt seg omtrent konstant over mange ordrer. Platåharmonier som spenner over hundrevis av eV er målt som strekker seg inn i det myke røntgenregimet . Dette platået slutter brått på en posisjon som kalles den høye harmoniske avskjæringen.
Eiendommer
Høye harmoniske har en rekke interessante egenskaper. De er en avstembar bordkilde for XUV / myke røntgenstråler, synkronisert med drivelaseren og produsert med samme repetisjonshastighet. Den harmoniske avskjæringen varierer lineært med økende laserintensitet frem til metningsintensiteten jeg satt der harmonisk generasjon stopper. Metningsintensiteten kan økes ved å endre atomartene til lettere edelgasser, men disse har lavere konverteringseffektivitet, så det er en balanse å finne, avhengig av fotonenergiene som kreves.
Generering av høy harmonisk avhenger sterkt av det drivende laserfeltet, og som et resultat har harmonene lignende tidsmessige og romlige koherensegenskaper. Høye harmoniske genereres ofte med kortere pulsvarigheter enn kjørelaseren. Dette skyldes ikke-lineariteten til generasjonsprosessen, fasetilpasning og ionisering . Ofte produseres harmoniske i et veldig lite tidsvindu når fasetilpasningsbetingelsen er oppfylt. Bortfall av det genererende mediet på grunn av ionisering betyr også at harmonisk generering hovedsakelig er begrenset til forkant av drivpulsen.
Høye harmoniske sendes ut lineært med drivelaseren og kan ha en veldig stram vinkelinneslutning, noen ganger med mindre divergens enn det grunnleggende feltet og i nærheten av Gaussiske stråleprofiler.
Semiklassisk tilnærming
Den maksimale fotonenergien som produseres med generering av høy harmonisk er gitt ved avskjæringen av det harmoniske platået. Dette kan beregnes klassisk ved å undersøke den maksimale energien det ioniserte elektronet kan få i det elektriske feltet til laseren. Avskjæringsenergien er gitt av;
hvor U p er den overveiende energien fra laserfeltet og I p er ioniseringspotensialet .
Denne avledningen av avskjæringsenergien er hentet fra en semi-klassisk beregning. Elektronen blir opprinnelig behandlet kvantemekanisk når den tunneler ioniseres fra foreldreaatom, men deretter blir dens påfølgende dynamikk behandlet klassisk. Elektronen antas å være født i vakuumet med null starthastighet, og deretter akselereres av laserstrålens elektriske felt .
En halv optisk syklus etter ionisering, vil elektronet reversere retning når det elektriske feltet endres, og vil akselerere tilbake mot hovedkjernen. Ved retur til hovedkjernen kan den deretter avgi bremsstrahlung- lignende stråling under en rekombinasjonsprosess med atomet når den går tilbake til grunntilstanden . Denne beskrivelsen er blitt kjent som den tilbakekallende modellen for generering av høy harmonisk.
Siden frekvensen av den utstrålte strålingen avhenger av både den kinetiske energien og av ioniseringspotensialet, sendes de forskjellige frekvensene ut ved forskjellig rekombinasjonstid (dvs. den utsendte pulsen kvitrer ). I tillegg er det for hver frekvens to tilsvarende rekombinasjonstider. Vi refererer til disse to banene som den korte banen (som sendes ut først), og den lange banen.
Noen interessante grenser for HHG-prosessen som er forklart av denne modellen viser at HHG bare vil forekomme hvis det drivende laserfeltet er lineært polarisert. Elliptisitet på laserstrålen fører til at returelektronen savner foreldrekjernen. Kvantemekanisk er overlappingen av returbølgepakken med kjernefysisk bølgepakke redusert. Dette har blitt observert eksperimentelt, hvor intensiteten av harmoniske synker raskt med økende elliptisitet. En annen effekt som begrenser intensiteten til drivelaseren er Lorentz-kraften . Ved intensiteter over 10 16 Wcm −2 kan den magnetiske komponenten i laserpulsen, som blir ignorert i svakt feltoptikk, bli sterk nok til å avbøye returelektronet. Dette vil føre til at den "savner" foreldrekjernen og dermed forhindrer HHG.
Fasematching
Som i alle ikke-lineære prosesser spiller fasetilpasning en viktig rolle i generering av høy harmonisk i gassfase. De fire årsakene til uoverensstemmelse med bølgevektorer er: nøytral dispersjon, plasmaspredning, Gouy-fase og dipolfase.
Den nøytrale dispersjonen er forårsaket av atomene mens plasmadispersjonen skyldes ionene, og de to har motsatte tegn. Den Gouy fase skyldes bølgefront fasesprang i nærheten av fokus, og varierer langs den. Til slutt oppstår dipolfasen fra atomresponsen i HHG-prosessen. Når du bruker en gassstrålegeometri, oppnås de optimale forholdene for å generere høye harmoniske utsendinger fra korte baner når den genererende gassen ligger etter fokus, mens generering av høye harmoniske fra lang bane kan oppnås utenfor aksen når den genererende gassen er lokalisert før fokuset.
Videre gjør implementeringen av løs fokuseringsgeometri for drivfeltet det mulig for et høyere antall emittere og fotoner å bidra til genereringsprosessen og dermed forbedre det harmoniske utbyttet. Når du bruker en gassstrålegeometri, kan fokusering av laseren inn i Mach-disken øke effektiviteten til harmonisk generering.
Se også
- Attosekundfysikk
- Ikke-lineær optikk
- Fotoionisering
- Resonant generering av høy harmonisk generasjon fra laserblaserte plasmafjerninger