Пространственные и временные масштабы, характерные...
DESCRIPTION
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 . - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
ГЕНЕРАЦИЯ АТТОСЕКУНДНЫХ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ ПРИ
ВЗАИМОДЕЙСТВИИ СВЕРХИНТЕНСИВНОГО
ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ
В.В.Стрелков
Институт общей физики им. А.М.Прохорова РАНМосква
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(t)
x~sin(t)
F~sin(t)
x~sin(t)+2sin(2t)+ 3sin(3t)+…
пока F<<Fсвяз генерация гармоник описывается теорией возмущений, поэтому n~(F/Fсвяз)n генерация НИЗКИХ гармоник
когда F~Fсвяз возможна генерация ВЫСОКИХ гармоник
В оптике Fсвяз= Fатомн~e2/r2Bohr
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.
CPAmode-locking
Q-switching1010
1015
1020
1025
1030
focu
sed
inte
nsity
W/c
m2
1960 1970 1980 1990 2000 2010
atom Coulomb field I ≈ 3×1016 W/cm2
relativistic electrons I ≈ 2,73×1018 W/cm2
relativistic protons I ≈ 1022 W/cm2
Quantum electrodynamics
I ~ 1026 W/cm2
atoms and molecules
gas target underdense plasma
solid target owerdense plasma
vacuum
attophysics
generation of THz radiation intra-atomic
physics
electron acceleration
proton acceleration
attosecond pulse
generation
protongraphy
hadron therapy, isotope
prodaction
ICF
Line acc.
gamma radiation
QED experiments
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
25 30 35 40 450
2
4
6
8
10
harm
onic
sig
nal,
arb.
un.
photon energy, eV
2
15 17 19 232125
27
29
Experiment:
Ar,
Ti:Sapp laser
800 nm,
2 1014 W/cm2
газообразная мишень
лазерный импульсинтенсивность:1014 – 1015 Вт/см2
длительность:1 пс – 5 фспараметр Келдыша: <1
гармоникиномера: до ~5000длина волны: до 0.3 нмэффективность преобразования:менее 10-4
UI
2 2
22
4 mEeU
пондеромоторная энергия
2
22
4 mEeU
Высокочастотная граница плато
UIN 3
max
J. Tate, T. Auguste, H.G. Muller, P. Salieres, P. Agostini, and L.F. DiMauro “Scaling of wave-packet dynamics in an intense midinfrared field”, PRL 98, 013901 (2007)
J. Tate, T. Auguste, H.G. Muller, P. Salieres, P. Agostini, and L.F. DiMauro “Scaling of wave-packet dynamics in an intense midinfrared field”, PRL 98, 013901 (2007)
λ= 0.8 μm λ= 2 μm
Up I 2
UIN 3
max
E
h ~ 100 ас
порядок гармоники
T/2
Инт
енси
внос
ть
время3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35
плато
Инт
енси
внос
ть
1. ИОНИЗАЦИЯ
2. ДВИЖЕНИЕ
ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПОЛЯ
3. ГЕНЕРАЦИЯ КОРОТКОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Кучиев М. Ю., Письма в ЖЭТФ, 1987
P.Corkum, PRL, 1993
E
1h
2h
T/2
Инт
енси
внос
тьвремя
порядок гармоники
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35
платоИ
нтен
сивн
ость
Трехступенчатый механизм
P.B. Corkum “Plasma perspective on strong-field multiphoton ionization”, PRL 71, 1994 (1993)
shorter path
longer path
t
2
22
4 mEeU
Вейвлет-преобразование сигнала
гармоник, рассчитанного численно.
Сплошной кривой представлена
зависимость ,
полученная из анализа
классических траекторий электрона.
0kin )( pItE
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
годы
AgostiniCharalambidis
Krausz
Прогресс в уменьшении длительности электромагнитных импульсов
80 as
генерация высоких гармоник:
Зависимость от эллиптичности лазерного излучения
E
h
линейная поляризация эллиптическая поляризация
WAYS OF A SINGLE ATTOPULSE GENERATION:
Very short (less than 5fs) fundamental pulseHentschel et. al.: Nature 414, 509 (2001)
“AMPLITUDE GATING”
WAYS OF A SINGLE ATTOPULSE GENERATION:
Very short (less than 5fs) fundamental pulseHentschel et. al.: Nature 414, 509 (2001)
Ellipticity-modulated fundamental pulseCorkum, et. al.: Optics Letters 19, 1870 (1994)Platonenko, Strelkov: JOSA. B 16, 435 (1999)Sola, et. al., Nature Physics, 2, 281(2006)
“AMPLITUDE GATING”
“ELLIPTICITY GATING”
%15
e-И
нтен
сивн
ость
время
E(t)=F(t)cos(t+) =/2
=Carrier-
Envelope
Phase
ELLIPTICITY GATING
Field with time-varying ellipticity: Platonenko, Strelkov JOSA B (1999)
2ln
2
th
– threshold ellipticityth
Strelkov V., et. al. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. (2005)
20 25 30 35 40 45 50 550.0
0.5
1.0
XU
V s
igna
l (ar
b. u
nits
)
Photon energy (eV)
0.0
0.5
1.0
theory: V. Strelkov, PRA, 2006
experiment+simulation: Sola, et. al., Nature Physics, 2, 281(2006)Sansone G, et. al., Science 314 443 (2006)
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.00.20.40.60.81.0
Experiment
e-
e-
e-
e-
e-
time [fs]
Simulation
ELLIPTICITY GATING
Ar, 5fs pulse, 2.2 1014 W/cm2
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
In
In+
harmonics
1017 –1018 cm-3 ionization degree ~1
main laser pulse 1015 W/cm2
Resonant HHG: review of experiments
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).
…
efficiency 10-4
strong ellipticity dependence
Resonant HHG: review of experiments
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
I
2
1
3*I 3*
4
3
2
1
V. Strelkov, PRL, 2010
Resonant HHG model
13 17 21 25 29 33
10
100
[9]
[8]
[9][9]
[7]
[5]
[9]
[6]
[9]
[9]
[4]
[5]In+
Mn+
400nmSn+ Sb+
Cr+
400nm
Cr+
experiment numerical TDSE solution theory
enha
ncem
ent
harmonic order
Resonant harmonic enhancement: comparison of the experimental, numerical and analytical results
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
S. V. Bulanov, 1994
von der Linde , 1996
модель осциллирующего зеркала
Tsakiris, 2006
модель осциллирующего зеркала
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.