中红外驱动光源及阿秒脉冲产业的机制研究

论文摘要

阿秒脉冲的出现为人类带来了一种拥有前所未有时间分辨率的超快探测工具,从而开启了阿秒科学的大门。短短几年内,利用阿秒脉冲在原子分子物理、纳米材料、凝聚态材料等学科已经取得了一系列令人振奋的研究成果。进一步拓展阿秒脉冲应用的核心问题是产生脉冲宽度更窄,波长更短,强度更高的脉冲。因此本论文针对基于高次谐波辐射谱的阿秒脉冲产生的新机制进行了系统的理论研究。根据产生高强度的超短阿秒脉冲对高功率中红外光源的需求,本论文还开展了产生高功率中红外光源的研究。本文的主要研究内容如下：研究了双色激光场驱动下的高次谐波辐射特性。在基频驱动场上叠加低频控制场可以有效控制电子运动过程并拓展超连续高次谐波辐射谱的宽度。调节基频场和控制场的相对相位可以控制电子的电离过程,实现高次谐波产生过程中的量子轨道选择。因此,采用参数选择恰当的双色驱动激光场是产生宽带单个阿秒脉冲的有效方案。研究了大核问距分子中的高次谐波辐射特性。在适当的分子核间距下,大核间距分子高次谐波的截止位置可以延伸到Ip+8Up,并且在高次谐波谱上光子能量超过Ip+3.17Up的区域中分别来自于长轨道和短轨道的谐波的辐射时间是同步的。我们采用双色激光场作为驱动脉冲,拓展了大核间距分子高次谐波谱高能区域中可用于产生单个阿秒脉冲的谱宽,并提高了高能区域谐波辐射的产生效率,从而获得了宽带单个阿秒脉冲。研究了不对称分子在偏振态门驱动脉冲作用下的高次谐波辐射特性。我们发现由于不对称分子具有的不对称的势阱,将不对称分子旋转180°后的高次谐波产率具有明显的不对称性,这表明偏振态门技术能提取半个光周期内的谐波辐射信息,从而将分子的不对称结构特性在高次谐波辐射谱上呈现出来,为采用层析成像技术对不对称分子轨道进行成像打下了良好的基础。此外,由于不对称分子对谐波辐射周期性的破坏,利用偏振态门技术在不对称分子中产生宽带单个阿秒脉冲所能使用的最短驱动脉冲宽度与原子情况相比加宽了一倍。提出了中红外调制的偏振态门用于产生单个阿秒脉冲。该方案利用长波长的驱动脉冲强化了高次谐波产生效率对椭偏率的依赖并对谐波辐射谱的平台区进行了展宽,结合倍频控制场对电离率的调制,不仅能在极紫外波段产生宽带单个阿秒脉冲,还将可以使用的驱动脉冲宽度增加到8个光周期。多光周期的驱动脉冲可用于产生单个阿秒脉冲将大大降低实验上对激光系统的苛刻要求。提出一种基于掺钛蓝宝石激光系统的双重啁啾光参量放大方案用于产生高功率中红外激光光源。在优化的条件下同时啁啾展宽泵浦光和种子光,从而可以使用高能量泵浦光且保持激光强度低于BBO晶体的损伤闽值,并获得总转化效率接近40%的宽带信号光和闲置光。此外由于借助了差频过程,产生的闲置光是载波包络相位稳定的。我们相信该方案在显著提高中红外脉冲能量方面有巨大的潜力,这不仅为高强度超快极紫外相干X射线的产生和应用,还将为高能激光物理的发展打下基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 概述
• 1.2 高次谐波及阿秒脉冲研究的背景和意义
• 1.3 论文的主要研究工作
• 2 高次谐波产生的理论描述
• 2.1 经典理论描述
• 2.2 强场近似理论描述
• 2.3 含时薛定谔方程描述
• 2.4 本章小结
• 3 双色激光场作用下单个阿秒脉冲的产生
• 3.1 双色场中电子运动的经典分析
• 3.2 双色场作用下的量子轨道选择
• 3.3 控制场参数对单个阿秒脉冲产生的影响
• 3.4 本章小结
• 4 分子高次谐波与单个阿秒脉冲的产生
• 4.1 大核间距分子中阿秒脉冲的产生
• 4.2 不对称分子中阿秒脉冲的产生
• 4.3 本章小结
• 5 中红外调制的偏振态门产生单个阿秒脉冲
• 5.1 不同驱动激光波长下高次谐波产生效率的椭偏依赖
• 5.2 倍频场的电离调制作用
• 5.3 多光周期激光产生单个阿秒脉冲
• 5.4 本章小结
• 6 双重啁啾光参量放大技术产生高能飞秒中红外激光脉冲
• 6.1 双重啁啾光参量放大的概念
• 6.2 B积分与超荧光
• 6.3 信号光分析
• 6.4 闲置光分析
• 6.5 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 论文的主要内容及创新点
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士期间发表论文目录