高次谐波及其在周期性波导中的特性研究

论文摘要

激光与物质的相互作用进入强场物理领域后,出现了如高次谐波、阈上电离、原子稳定、X射线激光、分子离解、激光感应电介质损伤等许多高阶非线性物理现象,而谐波辐射一直是非线性光学中的重要研究内容之一。激光与原子、原子团簇、分子相互作用产生的谐波辐射可以获得新的相干辐射谱线,而且更高次的谐波能够获得极短波长的相干光,尤其是获得“水窗”波段（4m-2. 3nm）的软X射线,有可能成为很好的软X射线相干光源,因此一直是一个非常活跃的领域。特别是近几年来,由于超短超强激光技术的飞速发展,尤其是飞秒激光技术的发展,使得人们可以获得脉冲持续时间特别短且又有足够脉冲能量的激光输出,聚焦后的激光功率密度已达到甚至超过了原子内部的库仑场强,为研究超强激光场中原子的非微扰行为提供了强有力的技术手段。目前,利用超短超强激光脉冲与物质相互作用产生高次谐波辐射的理论研究和实验研究已经受到人们的广泛关注,如何获得更短的激光波长,并提高谐波的转换效率是现在谐波研究中的两个重要问题。本文的研究主要包括以下几个方面:首先,一维线性多原子分子离子与强激光场相互作用的谐波研究。目前,在分子中的高次谐波研究一般是使用800nm的激光波长,得到了级次延伸的谐波谱。而我们知道,激光波长是影响谐波输出的一个较重要的因素,那么,在分子模型下,激光波长对谐波的影响是否与原子模型下的结论一样或类似昵?以这个思路为出发点,并考虑分子模型的自由度,我们从高次谐波的单原子理论出发,求解含时薛定谔方程,模拟一维多原子分子离子与强激光场相互作用的谐波产生。首次研究了不同的激光频率ω和原子核间距R同时对高次谐波的影响,并得出了结论:对某一特定的激光波长,在一定的原子核间距范围内,谐波的级次随着核间距的增大而延伸,然后开始下降;随着核间距的增大,低频场更有利于谐波级次的延伸。第二,首次理论模拟较高压强下不同的惰性气体在周期性波导中高次谐波的产生,得到了效率增强、级次延伸的高次谐波谱,最大的谐波光子能量可至几百电子伏特,同时谐波的转换效率也提高了至少10-100倍;并讨论不同调制周期对谐波的影响,周期相对短一点,有利于得到更高级次的谐波。我们用数值模拟得到的结果与实验结果相一致,充分地解释了实验现象。因此我们可以预计在周

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 高次谐波辐射研究的重大意义
• 1.2 高次谐波辐射理论及其进展
• 1.3 实验研究的进展
• 1.4 我们的工作
• 参考文献
• 第二章 高次谐波理论
• 2.1 电离理论
• 2.1.1 非线性光学
• 2.1.2 光场电离
• 2.2 谐波产生的理论
• 2.2.1 半经典理论
• 2.2.2 量子理论
• 参考文献
• 第三章 一维多原子分子离子与强激光场相互作用产生的高次谐波研究
• 3.1 模型及已有的工作
• 3.2 数值计算与结果分析
• 3.2.1 计算中需解决的几个基本问题
• 3.2.2 计算结果及分析
• 3.3 结论
• 参考文献
• 第四章 高次谐波的传播理论及其在直光纤下的特性研究
• 4.1 影响HHG转换效率的因素
• 4.2 相位匹配理论
• 4.2.1 相位匹配的基本理论
• 4.2.2 毛细管波导下的相位匹配理论
• 4.3 直波导下的高次谐波研究
• 4.3.1 非线性波动方程
• 4.3.2 直波导下激光场与谐波场的传播
• 4.3.3 结果及讨论
• 4.4 结论
• 参考文献
• 第五章 周期性波导中的高次谐波研究
• 5.1 准相位匹配的基本理论
• 5.1.1 准相位匹配的基本思想
• 5.1.2 高次谐波中的准相位匹配
• 5.2 周期性波导中的高次谐波输出
• 5.2.1 基本思想
• 5.2.2 理论模拟
• 5.2.3 结果及讨论
• 5.3 阿秒脉冲的产生
• 5.3.1 少周期脉冲的“单周期机制”
• 5.3.2 线性啁啾光纤下阿秒脉冲的实现及讨论
• 5.4 结论
• 参考文献
• 第六章 总结
• 致谢
• 论文发表情况