CN110994347B - 一种产生椭偏阿秒脉冲的方法及装置 - Google Patents

一种产生椭偏阿秒脉冲的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种产生椭偏阿秒脉冲的方法及装置。通过线偏激光和圆偏激光叠加得到的双色激光场与极性气体分子相互作用，利用三维含时薛定谔方程计算并调节双色激光场的电场参数以使得相互作用产生高次谐波；通过调节双色激光场的强度比，使得所产生的高次谐波在截止区具有大于预设椭偏率数值的椭偏率；将具有大于预设椭偏率数值的椭偏率的高次谐波合成阿秒脉冲，并通过调节双色激光场的相对相位调控阿秒脉冲的椭偏率。本发明保证足够高的谐波效率，进而将截止区的椭偏谐波合成高效率的椭偏孤立阿秒脉冲。此外，该方法可通过调节双色场的相对相位，实现对孤立阿秒脉冲旋性和椭偏率的调控，是一种具有实用性的产生和调节椭偏孤立阿秒脉冲的方法。

Description

一种产生椭偏阿秒脉冲的方法及装置
技术领域
本发明涉及超快激光技术领域，更具体地，涉及一种产生椭偏阿秒脉冲的方法及装置。
背景技术
阿秒科学是人们正在开拓的全新领域，在这一全新领域中孤立阿秒脉冲的产生及应用至关重要。基于高次谐波的阿秒脉冲合成技术研究，近年来引起了人们极大的兴趣和关注。
本世纪初，科学家们首次在实验上通过高次谐波合成了亚飞秒脉冲(M.Hentschel,et al.,Nature 2001,414：509和P.M.Paul,et al.,Science,2001,292(5522)：1689-1692.)，成为了超快激光技术有飞秒领域发展到阿秒领域的标志。经过近二十年的发展，阿秒脉冲的脉宽在实验上逐渐突破百阿秒(E.Goulielmakis,et al.,Science,2008,320(5883)：1614.)，并且获得了目前最短且世界纪录的脉冲宽度为43阿秒的阿秒脉冲(T.Gaumnitz,et al.,Optics Express 2017,25(22)：27506-27518.)。过去大多数研究主要用来产生线偏振的阿秒脉冲，但是椭偏阿秒脉冲有着更为重要的应用前景。例如，在强场电离和高次谐波辐射过程中，N2分子产生的具有椭偏的谐波谱能够探测分子动力学过程中的多电子效应。圆偏的脉冲能够产生旋转的环形电流，导致物质内部磁场在阿秒时间尺度对时间有大的依赖性，因此，产生椭偏阿秒脉冲对于探测超快电子动力学等方面具有重要意义。
最近几年，科学家们开始尝试如何产生椭偏的高次谐波和阿秒脉冲。目前，在实验上能够产生椭偏的高次谐波和阿秒脉冲大致有以下几种方案：一是利用线偏光与排列的非极性分子相互作用(X.Zhou,et al.,Physics Review Letters 2009，102：073902.)。由于非极性分子的各向同性，导致得到的高次谐波椭偏率较低(椭偏率不超过0.35)。二是使用旋性相反的双色圆偏光(A.Fleischer,et al.,Nature Photonics 2014，8：543.)。这种双色圆偏光作用下辐射的高次谐波，虽然其每一阶次高次谐波都具有较高的椭偏率，但是其相邻的两个阶次高次谐波旋性相反，因此合成的阿秒脉冲仍然是线偏的。三是利用非共线技术(D.D.Hickstein,et al.,Nature Photonics2015，9：743.)。非共线技术所使用的驱动光是传播方向具有一个较小夹角的两束飞秒激光组成，这两束飞秒激光在交汇重叠区域的合成激光场呈现线性偏振，并且偏振方向在垂直传播方向的截面上连续变化，因此在垂直传播方向的截面上辐射出偏振方向不同的高次谐波，在传播过程中偏振方向不同的高次谐波相互叠加，最终在远场产生椭偏高次谐波。非共线技术可以将左旋和右旋的高次谐波在空间上分离开，但是两束非共线飞秒激光光只有在它们的交汇重叠区域才能形成有效的合成激光场，并且只有合成激光场才能在远场产生椭偏高次谐波，因此非共线技术只能应用于紧聚焦情况，无法应用在松散聚焦情况下，所以无法获得较大能量的椭偏高次谐波。
对于椭偏阿秒技术，当前的问题是，在现有的产生椭偏高次谐波和阿脉冲方法中，要么利用排列的非极性分子，导致产生的高次谐波具有较低的椭偏率；要么辐射的相邻阶次高次谐波呈现出相反旋性，使得合成阿秒脉冲仍然为线性偏振；要么辐射的高次谐波效率较低，限制了合成阿秒脉冲的能量。从而约束了椭偏阿秒脉冲在实际中的应用与发展。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有利用排列非极性分子产生椭偏高次谐波的椭偏率较低，相邻阶次高次谐波呈现出相反旋性，使得基于椭偏高次谐波合成的阿秒脉冲仍为线性偏振，以及现有技术辐射的高次谐波效率低，限制了阿秒脉冲能量的技术问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种产生椭偏阿秒脉冲的方法，包括以下步骤：
通过线偏激光和圆偏激光叠加得到的双色激光场与极性气体分子相互作用，利用三维含时薛定谔方程计算并调节所述双色激光场的电场参数以使得所述相互作用产生高次谐波；
通过调节所述双色激光场的强度比，使得所产生的高次谐波在截止区具有大于预设椭偏率数值的椭偏率；
将所述具有大于预设椭偏率数值的椭偏率的高次谐波合成阿秒脉冲，并通过调节双色激光场的相对相位调控所述阿秒脉冲的椭偏率。
具体地，高次谐波的截止区为谐波强度迅速下降的区间。
可选地，所述三维含时薛定谔方程为：
Figure BDA0002312787280000031
其中，ψ(r,t)表示含时电子波函数，r是电子位置，t是时间，
Figure BDA0002312787280000032
Figure BDA0002312787280000033
表示软核势，a是软核参数，E(t)＝E1(t)+E2(t)，E(t)表示双色激光场，E1(t)表示线偏的基频激光场，E2(t)表示圆偏的倍频激光场。
可选地，所述双色激光场通过将线偏的基频近红外激光脉冲和圆偏的倍频激光脉冲叠加得到。
可选地，所述基频近红外激光脉冲为线偏的飞秒激光脉冲，所述倍频激光脉冲是角频率为基频近红外激光脉冲2倍的圆偏的飞秒激光脉冲。
第二方面，本发明提供一种产生椭偏阿秒脉冲的装置，包括：
高次谐波产生单元，用于通过线偏激光和圆偏激光叠加得到的双色激光场与极性气体分子相互作用，利用三维含时薛定谔方程计算并调节所述双色激光场的电场参数以使得所述相互作用产生高次谐波；
椭偏率调节单元，用于通过调节所述双色激光场的强度比，使得所产生的高次谐波在截止区具有大于预设椭偏率数值的椭偏率；以及将所述具有大于预设椭偏率数值的椭偏率的高次谐波合成阿秒脉冲，并通过调节双色激光场的相对相位调控所述阿秒脉冲的椭偏率。
可选地，所述三维含时薛定谔方程为：
Figure BDA0002312787280000041
其中，ψ(r,t)表示含时电子波函数，r是电子位置，t是时间，
Figure BDA0002312787280000042
Figure BDA0002312787280000043
表示软核势，a是软核参数，E(t)＝E1(t)+E2(t)，E(t)表示双色激光场，E1(t)表示线偏的基频激光场，E2(t)表示圆偏的倍频激光场。
可选地，所述双色激光场通过将线偏的基频近红外激光脉冲和圆偏的倍频激光脉冲叠加得到。
可选地，所述基频近红外激光脉冲为线偏的飞秒激光脉冲，所述倍频激光脉冲是角频率为基频近红外激光脉冲2倍的圆偏的飞秒激光脉冲。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供一种产生椭偏阿秒脉冲的方法及装置，本发明通过线偏激光和圆偏激光叠加得到的双色激光场与极性气体分子相互作用产生椭偏率较大的高次谐波，并将所述具有大于预设椭偏率数值的椭偏率的高次谐波合成阿秒脉冲。与此同时，本发明可以通过调节双色激光场的相对相位来实现所述阿秒脉冲的椭偏率调控。
附图说明
图1是本发明提供的利用线偏和圆偏双色激光场与CO分子相互作用的示意图；
图2是本发明实例对应的高次谐波强度谱示意图；
图3是本发明实例对应的将计算得到的高次谐波截止区的阶次合成得到的孤立阿秒脉冲电场示意图及其投影示意图；
图4是本发明实例对应的孤立阿秒脉冲椭偏率与双色激光场相对相位的关系示意图；
图5是本发明提供的产生椭偏孤立阿秒脉冲的装置结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的目的在于解决现有的产生椭偏阿秒脉冲方法中，辐射的不同阶次高次谐波呈现出相反旋性，使得合成阿秒脉冲仍然为线性偏振；或辐射的高次谐波效率较低，限制了合成阿秒脉冲的能量的技术问题；或采用非极性气体分子，限制了阿秒脉冲的椭偏率。
为实现上述目的，本发明提供一种椭偏孤立阿秒脉冲的产生和调节方法，包括以下步骤：
步骤S0、通过线偏和圆偏双色激光场与极性气体分子相互作用，利用三维含时薛定谔方程计算出高次谐波；
步骤S1、通过调节双色场的强度比，使得产生的高次谐波在截止区具有较高的椭偏率，并且保证较高的谐波效率；
步骤S2、将所述双色场的强度比固定在合适的强度比处，计算得到截止区具有较高椭偏率的高次谐波。将截止区阶次的高次谐波利用公式
Figure BDA0002312787280000051
合成阿秒脉冲，其中，I(t)为阿秒脉冲强度，q为合成阿秒脉冲对应谐波的阶次，Dq为合成阿秒脉冲对应谐波的强度，ω0为线偏的飞秒脉冲的角频率。计算得到椭偏阿秒脉冲，且椭偏率接近圆偏。并通过调节双色场的相对相位来实现对所述阿秒脉冲的椭偏率的调控。
可选地，所述气体介质为极性分子的一种。
更进一步地，所述线偏激光场为线偏的飞秒激光脉冲，所述圆偏激光场为倍频的圆偏飞秒激光脉冲。
更进一步地，所述三维含时薛定谔方程为：
Figure BDA0002312787280000061
其中，ψ(r,t)表示含时电子波函数，r是电子位置，t是时间，
Figure BDA0002312787280000062
Figure BDA0002312787280000063
表示软核势，a是软核参数，E(t)＝E1(t)+E2(t)，E(t)表示双色激光场，E1(t)表示线偏的基频激光场，E2(t)表示圆偏的倍频激光场。
针对现有的产生近圆偏阿秒脉冲的缺陷，本发明的目的在于提供一种产生单一旋性高次谐波并合成近圆偏孤立阿秒脉冲的方法，且能够通过改变双色场的相对相位实现对孤立阿秒脉冲椭偏率的调控。旨在突破因无法获得高效率单一旋性高次谐波进而限制合成高效率近圆偏孤立阿秒脉冲这一技术瓶颈。
本发明提供一种利用线偏和圆偏双色场来产生并调节近圆偏孤立阿秒脉冲的方法。该方法的特征在于，首先，通过线偏和圆偏双色场与气体相互作用，利用三维含时薛定谔方程
Figure BDA0002312787280000064
计算得到高次谐波。计算过程中采用原子单位制，其中，ψ(r,t)表示含时电子波函数，r是电子位置，t是时间，
Figure BDA0002312787280000065
表示软核势，a是软核参数，E(t)＝E1(t)+E2(t)，E(t)表示双色激光场；其次，通过调节双色场的强度比，使得截止区高次谐波具有较高的椭偏率，并且保证较高的谐波效率，然后将截止区的高次谐波合成得到近圆偏孤立阿秒脉冲，并通过调节双色场的相对相位来实现对所述孤立阿秒脉冲的椭偏率的调控。
在一个可选的实施例中，本发明以极性分子CO分子为例进行举例说明，本发明所使用的极性分子并不局限于CO分子。如图1所示为本发明双色场与CO分子相互作用示意图，其中黑色实线表示线偏的近红外激光脉冲，浅色实线表示圆偏的倍频激光脉冲。线偏的近红外激光中心波长为800nm，峰值功率密度为2.5×1014W/cm2，圆偏的倍频激光脉冲波长为400nm，峰值功率密度为1.75×1014W/cm2。两束激光脉冲的时间延迟为0，相对相位为0.3π。CO分子的分子轴取向沿y轴。
利用三维含时薛定谔方程
Figure BDA0002312787280000071
计算得到的高次谐波的左旋与右旋成分如图2所示。图中浅色实线代表高次谐波的左旋成分，黑色实线代表高次谐波的右旋成分。可以看出在谐波谱的截止区，谐波的右旋成分明显大于左旋成分，由于谐波的椭偏率与其左旋和右旋成分之间的差值有关，差值越大，则椭偏率越大。在谐波的截止区，如图2所示，该区间内的谐波保持相同的旋性，且椭偏率较大。因此，选取第55阶至第65阶谐波，利用公式
Figure BDA0002312787280000072
便可计算得到近圆偏孤立阿秒脉冲。
孤立阿秒脉冲的电场随时间的变化情况以及电场在坐标轴所围成平面的投影如图3所示。如图3所示，在垂直时间轴平面内投影出一个椭圆形形状，投影的形状越接近圆形，则阿秒脉冲的椭偏率更大。孤立阿秒脉冲脉宽290阿秒，通过计算电场在垂直时间轴平面内的椭圆形投影的椭偏率，得出电场的椭偏率为0.9，由此可见合成的孤立阿秒脉冲椭偏率较大，接近于圆偏。
图4表示实例对应的孤立阿秒脉冲椭偏率与双色场相对相位的关系，其中实心五角星表示对应不同相对相位下的孤立阿秒脉冲的椭偏率。由图可以看出，当双色场的相对相位从0到2π变化时，阿秒脉冲的椭偏率从正到负周期性变化，即孤立阿秒脉冲的旋性和椭偏率随着相对相位的变化而发生周期性改变。
图5是本发明提供的产生椭偏孤立阿秒脉冲的装置结构示意图，如图5所示，该装置包括：高次谐波产生单元210和椭偏率调节单元220。
高次谐波产生单元210，用于通过线偏激光和圆偏激光叠加得到的双色激光场与极性气体分子相互作用，利用三维含时薛定谔方程计算并调节所述双色激光场的电场参数以使得所述相互作用产生高次谐波；
椭偏率调节单元220，用于通过调节所述双色激光场的强度比，使得所产生的高次谐波在截止区具有大于预设椭偏率数值的椭偏率；以及将所述具有大于预设椭偏率数值的椭偏率的高次谐波合成阿秒脉冲，并通过调节双色激光场的相对相位调控所述阿秒脉冲的椭偏率。
可选地，所述三维含时薛定谔方程为：
Figure BDA0002312787280000081
Figure BDA0002312787280000082
其中，ψ(r,t)表示含时电子波函数，r是电子位置，t是时间，
Figure BDA0002312787280000083
表示软核势，a是软核参数，E(t)＝E1(t)+E2(t)，E(t)表示双色激光场；
可选地，所述双色激光场通过将线偏的基频近红外激光脉冲和圆偏的倍频激光脉冲叠加得到。
可选地，所述基频近红外激光脉冲为线偏的飞秒激光脉冲，所述倍频激光脉冲是角频率为基频近红外激光脉冲2倍的圆偏的飞秒激光脉冲。
具体地，各个单元的功能可参见前述方法实施例，在此不做赘述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种产生椭偏阿秒脉冲的方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过线偏激光和角频率为线偏激光脉冲两倍的倍频圆偏激光叠加得到的双色激光场与极性气体分子相互作用，利用三维含时薛定谔方程计算并调节所述双色激光场的电场参数以使得所述相互作用产生高次谐波；
通过调节所述双色激光场的强度比，使得所产生的高次谐波在截止区具有大于预设椭偏率数值的椭偏率；
将所述具有大于预设椭偏率数值的椭偏率的高次谐波合成阿秒脉冲，并通过调节双色激光场的相对相位调控所述阿秒脉冲的椭偏率；
所述三维含时薛定谔方程为：
Figure FDA0002626078250000011
其中，ψ(r,t)表示含时电子波函数，r是电子位置，t是时间，
Figure FDA0002626078250000012
表示软核势，a是软核参数，E(t)＝E1(t)+E2(t)，E(t)表示双色激光场，E1(t)表示线偏的基频激光场，E2(t)表示圆偏的倍频激光场。
2.根据权利要求1所述的产生椭偏阿秒脉冲的方法，其特征在于，所述双色激光场通过将线偏的基频近红外激光脉冲和圆偏的倍频激光脉冲叠加得到。
3.根据权利要求2所述的产生椭偏阿秒脉冲的方法，其特征在于，所述基频近红外激光脉冲为线偏的飞秒激光脉冲，所述倍频激光脉冲是角频率为基频近红外激光脉冲两倍的圆偏的飞秒激光脉冲。
4.一种产生椭偏阿秒脉冲的装置，其特征在于，包括：
高次谐波产生单元，用于通过线偏激光和角频率为线偏激光脉冲两倍的倍频圆偏激光叠加得到的双色激光场与极性气体分子相互作用，利用三维含时薛定谔方程计算并调节所述双色激光场的电场参数以使得所述相互作用产生高次谐波；
椭偏率调节单元，用于通过调节所述双色激光场的强度比，使得所产生的高次谐波在截止区具有大于预设椭偏率数值的椭偏率；以及将所述具有大于预设椭偏率数值的椭偏率的高次谐波合成阿秒脉冲，并通过调节双色激光场的相对相位调控所述阿秒脉冲的旋性及椭偏率椭偏率；
所述三维含时薛定谔方程为：
Figure FDA0002626078250000021
其中，ψ(r,t)表示含时电子波函数，r是电子位置，t是时间，
Figure FDA0002626078250000022
表示软核势，a是软核参数，E(t)＝E1(t)+E2(t)，E(t)表示双色激光场，E1(t)表示线偏的基频激光场，E2(t)表示圆偏的倍频激光场。
5.根据权利要求4所述的产生椭偏阿秒脉冲的装置，其特征在于，所述双色激光场通过将线偏的基频近红外激光脉冲和圆偏的倍频激光脉冲叠加得到。
6.根据权利要求5所述的产生椭偏阿秒脉冲的装置，其特征在于，所述基频近红外激光脉冲为线偏的飞秒激光脉冲，所述倍频激光脉冲是角频率为基频近红外激光脉冲两倍的圆偏的飞秒激光脉冲。
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