强场高次谐波辐射中的相位匹配

强场高次谐波辐射中的相位匹配

一、强场高次谐波辐射过程中的相位匹配(论文文献综述)

梁景广[1](2021)在《激光烧蚀等离子体羽流共振增强高次谐波的研究》文中指出高次谐波产生(High-order Harmonic Generation,HHG)是一种研究原子分子超快过程的强大而较为成熟的技术,它在极紫外和软X射线范围内提供了一个紧凑通用的相干光源。由于物质状态的限制,最初的HHG研究主要局限于原子或小分子气体。而在过去的十几年中,使用激光烧蚀来制造适合HHG的粒子羽流的方法引起了人们的兴趣,这种方法几乎可以研究任何固体材料的HHG。特别有趣的是从某些金属材料的羽流中得到的单阶谐波共振增强特性,这种共振增强的谐波比它们邻近的谐波强很多,在一定程度上被认为有助于提高谐波的转换效率。本论文是基于烧蚀羽流中谐波的单阶共振增强特性展开的,主要分为以下几个方面。1.虽然已经有不少关于谐波单阶共振增强的研究,但其产生机理尚存在宏观(相位匹配)还是微观(单原子响应)的争议。为了阐明等离子体的宏观色散特性是否是形成增强的关键因素,我们通过双组分等离子体介质进行了实验,其中已知锡组分在800 nm激光驱动下能够产生17阶共振增强谐波,另一种组分是铅,在此激光波长下没有特别的性质。通过比较纯锡等离子体和锡&铅合金等离子体的谐波光谱,分析了谐波的单阶共振增强对相位匹配条件的依赖性。进一步我们通过改变驱动激光椭偏度,对锡烧蚀羽流的17阶共振谐波产额做了其随驱动激光椭偏度的依赖性实验,发现共振增强谐波随驱动激光椭偏度的依赖独立于整体谐波依赖性的变化趋势,它受椭偏度变化的影响更小,同时,通过单原子量子力学模拟再现了这一结果。混合羽流的实验结果和驱动激光椭偏度的依赖性实验共同证实了锡的17阶共振增强这一特性的起因更倾向于单原子响应机制。2.在HHG的介质中,纳米团簇或纳米粒子结合了气体原子介质(低平均密度)和固体介质(局部高密度)的优点,在HHG中具有很大的吸引力。通过烧蚀由纳米粒子组成的样品来产生富含纳米粒子的羽流来作为HHG介质是一种研究纳米粒子HHG最常用的方法。以前的研究者们认为低烧蚀强度下羽流中的谐波主要来自纳米粒子,而不是孤立的原子或离子。然而,这一假设尚未得到充分证明。通过烧蚀铟纳米粒子样品产生的等离子体羽流,我们做了谐波产额对驱动激光与样品表面距离(驱动激光与烧蚀羽流作用位置)的关系实验。结果证明,在同一羽流中纳米粒子和单体都可能对谐波的产生起主导作用,这取决于与驱动激光相互作用的羽流的位置。纳米粒子中产生的谐波谱和单体中有明显的区别,主要表现在谐波的共振增强和截止能量上的差异。结果表明,要了解纳米粒子在HHG过程中的贡献需要精确选择激光与等离子体相互作用的区域,这是一个在以往的研究中被忽视或者没有被认真考虑的因素。3.激光烧蚀产生的羽流中的成分存在不确定性,其中可能含有原子、离子或团簇等,这为研究单一粒子的谐波造成了阻碍,为此我们设计了新的方法用于研究HHG。我们采用稠密的纳米粒子作为介质,和激光等离子体羽流HHG实验不同的是,这里不采用烧蚀脉冲,将激光与稠密纳米粒子直接相互作用产生HHG,这样就排除了等离子体羽流中其他粒子成分的影响。有趣的是用这种方法,从铟等材料的稠密纳米粒子介质中同样观察到其单阶谐波的共振增强。此时谐波增强的出现看似与单原子响应机制对增强的解释不一致,为此对粒子进行电离率的计算并讨论了增强可能的原因。

曹伟,陆培祥[2](2021)在《基于高次谐波阿秒光源的超快测量技术(特邀)》文中研究表明台式阿秒相干光源在过去20多年取得了飞速的发展,其研究重心已经从早期的产生与测量机理的探索逐渐过渡到了极端时间尺度超快过程的追踪及操控上。目前阿秒时间分辨的谱学技术不仅能实现简单的原子分子体系瞬态过程的直接追踪,还被逐步应用到化学分子、生物分子、固体材料等复杂体系的测量中。本文回顾了基于阿秒光源的超快测量技术的发展,介绍了相关技术的原理及其在物理、化学、信息科学领域的应用研究。

张津[3](2021)在《极紫外光学频率梳的研制》文中提出极紫外光学频率梳(以下简称“极紫外光梳”)不仅是精密测量物理领域不可或缺的工具,它的诞生也为强场超快科学领域的相关研究带来了新的契机。在精密测量物理领域,利用极紫外光梳可以开展类氢或类氦离子的1S→2S跃迁的精密光谱测量(如He+的1S-2S跃迁位于60.8nm,Li+的1S-2S跃迁位于41nm),有助于在更高精度上检验束缚态量子电动力学理论;而基于钍-229原子核能级跃迁的精密光谱测量(位于150nm附近),将为新一代时钟——“原子核钟”的实现奠定基础。在强场超快科学领域,利用极紫外光梳平台开展极高重复频率下的强场物理实验,能够大大提高实验信噪比与采样率,为研究以往受信噪比限制而难以观察到的强场物理效应提供便利。例如,利用极紫外光梳平台开展的角度分辨的光电子能谱测量(ARPES),不仅有助于将时间分辨率提高到阿秒量级,还可以缓解空间电荷效应的影响,有效提高实验信噪比;此外,基于极紫外光梳平台的阿秒脉冲产生,可以为下一步实现兆赫兹以及更高重复频率的阿秒瞬态吸收实验奠定良好的基础。鉴于此,我们自主设计并建立起国内首台极紫外光学频率梳,旨在开展极紫外波段的精密光谱测量以及高重复频率下的强场超快科学研究,主要工作成果包括:1.千瓦级飞秒共振腔的研制。由于缺乏合适的激光增益介质,极紫外光梳需要通过高次谐波辐射过程实现光梳波长从红外到极紫外的转化。高次谐波辐射过程所需求的峰值光强很高(>1013 W/cm2),而目前商用红外光梳的单脉冲能量普遍较低(<1μJ),因此我们搭建了一台飞秒共振腔来实现红外驱动光梳的放大。实验上,我们优化了飞秒共振腔的模式匹配,并且通过Pound-Drever-Hall(PDH)技术实现了腔长的精确锁定,锁定时间超过一小时。当入射光功率为27W时,我们实现腔内平均功率达到6.08kW,对应增强倍数为225倍。我们估算了腔内焦点处的峰值功率密度约为4.8 × 1013W/cm2,该结果已经达到高次谐波辐射过程所需的光强。2.极紫外光学频率梳的实现。通过结合飞秒共振腔技术与高次谐波辐射过程,我们实现了光梳波长从红外到极紫外的转化。当氙气作为高次谐波辐射过程的工作介质被注入到腔内焦点处时,我们观察到了最高19阶谐波(波长约55nm)的产生,并测得产生的11阶谐波(约94nm处)功率为115.9μW,对应的谐波产生效率约为2.5 × 10-8。通过三次谐波的光学外差拍频实验,我们证实了产生的高次谐波具有良好的时间相干性。以上实验结果表明,我们搭建的这台极紫外光梳已具备开展原子分子精密光谱测量的潜力。3.高重复频率条件下氮气分子辐射机理研究。利用极紫外光梳平台,我们进行了 100MHz重复频率下氮气分子337nm辐射机理的研究。通过研究337nm辐射的强度随氮气流量和驱动光偏振的变化关系,我们讨论了氮分子激发三重态(C3Πu态)的激发机制。我们的结果排除了解离再结合机制是C3Π-u态布居的主要途径,并且认为在我们的实验条件下,非弹性碰撞激发过程是C3Πu态布居最有可能的路径。另外,我们还讨论了飞秒共振腔中产生的稳态的等离子体对C3Πu态布居的影响。综上所述,我们在实验室搭建的这台极紫外光梳,不仅已经具备开展精密光谱测量实验的潜力,并且能够在前所未有的高重复频率下研究强场超快科学问题,在许多基础物理前沿研究领域中都具有广阔的应用前景。

高庆华[4](2021)在《椭偏激光场下Ar和N2高次谐波产生研究》文中研究指明飞秒激光与物质作用产生的高次谐波是迄今为止获得桌面化的相干极紫外光源以及阿秒脉冲最为重要的方式。对高次谐波光谱的探究不仅能加深人们理解光场调控中的作用过程,还有助于获取原子或分子轨道结构及量子态的重要信息。高次谐波的产生与电子动力学过程息息相关,电子回核几率决定了谐波辐射的强度。通过提取谐波光谱的强度等信息,能有效地反映出贡献谐波的电子间产生的各种效应以及电子受到核的库仑效应等。本论文从实验和理论角度研究了高次谐波辐射特性。实验上对比了椭偏激光场中Ar和N2的高次谐波椭偏率依赖结果,并报告了在椭偏率变大时,两种气体介质产生低阶谐波的强度与高阶谐波的强度的归一化比值均会增加,且短轨迹下的谐波比率上升相对于长轨迹时的更为明显。针对实验中发现的有趣现象,我们通过非绝热半经典的理论计算方法模拟了Ar和N2的谐波比率随椭偏率的变化关系,得到的结果能很好地再现实验测得的比率情况。最后通过基于电子的运动轨迹对实验和理论显示的现象进行了分析和解释。此外,在理论计算中我们还报告了增加N2分子的核间距会改变电子受到核的库仑势的大小,使不同阶次谐波比值出现了随激光椭偏率变化而具有明显地规律性改变。我们的研究表明,非绝热效应在处理高次谐波的光谱信息中起着至关重要的作用,并且分子的核间距等信息会被编码到高次谐波的椭偏依赖中去。

吕令杰[5](2021)在《晶体高次谐波的优化控制》文中研究表明微观世界的动力学一直备受人们的关注。半个多世纪以来,激光技术的发展极大地扩展了人们对微观粒子超快动力学的认知范畴。激光锁模、光学参量放大、啁啾放大等技术有效地增强了激光的峰值强度,同时压缩了脉宽。这些超强超快脉冲作用在靶材料上诱导出了频谱范围更宽、脉宽更窄的相干光源。这些飞秒甚至阿秒尺度的超快脉冲为探索超快动力学提供了行之有效的手段。强激光诱导产生的诸多超快现象,比如阈上电离和高次谐波在近年来被广泛研究。同时,超快相干光源的应用实现了电子动力学的相干控制。目前超短脉冲虽然被压缩到了数十阿秒的尺度,但其强度较低,还没有达到广泛应用的水平。晶体相对于气体具有更高密度和严格的周期性,有希望作为紧凑可集成的靶材料更高效地产生高次谐波。然而,现阶段激光诱导的晶体内电子超快动力学的操控研究较少,而且晶体内多电子相干动力学非常复杂,是该领域的研究难点。本文在该方向做了系统的理论研究,取得的创新性成果概括如下:1.研究了多电子集体激发行为,揭示了晶体带内高次谐波中的多电子干涉效应,可用于提升谐波转换效率及重构能带。早期人们对晶体带内谐波的研究主要是基于单个k点,无法完全揭示带内动力学的非线性特征。我们提出了一种k分辨的半经典的带内辐射模型,从而揭示了晶体高次谐波的多电子干涉效应,进而可以利用带内谐波的非线性特征重构能带。这种干涉效应主导了高次谐波的非微扰特性,有助于提升高次谐波的转换效率,提供更多控制电子-空穴超快动力学的手段。2.提出了晶体高次谐波锁模机制,可有效提高带间谐波的转换效率。通过研究晶体高次谐波空间依赖的相位,我们发现了高次谐波的锁模机制,这为进一步增强晶体高次谐波的输出功率,以及探测超快动力学提供了理论方案。这种锁模机制可以控制量子轨道的干涉,实现电子动力学阿秒时间尺度的分辨,以及选择性地增强特定频段的晶体高次谐波。3.建立了隧穿和多光子两个激发过程之间的联系,揭示了电子退相干在电子激发过程中起到的关键作用。量子隧穿和多光子过程在强场动力学中往往被认为是两种截然不同的激发机制。我们研究了光激发过程中的波包干涉的作用,将这两种激发机制联系起来,并指出激发机制从多光子到隧穿的转变本质上是电子退相干的过程。基于多光子吸收的量子相干过程可以操控半导体中注入的电流,以及控制化学键的形成和断裂。这种相干操控与超快光学的结合有望实现阿秒分辨的电子相干控制。为此,我们提出了一种阿秒分辨的量子相干控制理论。基于该理论,我们揭示了亚周期内电子激发过程的动力学特征,并且发现了一种新的电流注入的相干控制机制。本文通过对晶体内电子超快动力学操控的理论研究,在微观上揭示了多光子与隧穿过程的联系,以及多电子干涉在晶体高次谐波中的关键作用,在宏观上提出了高次谐波锁模机制,对实现晶体高次谐波光源及其应用具有重要价值。此外,该研究对于超快光开关、太赫兹辐射等方面的研究具有重要意义。

王新强[6](2021)在《固体高次谐波中的带内带间电流干涉效应》文中认为超短脉冲光源的产生及电子运动的探测与操控是超快光学研究领域的前沿课题。研究人员分别对不同物态的物质与强场超快激光相互作用进行了研究。在等离子体高次谐波、气体高次谐波之后,非线性固体高次谐波也在2011年首次实验实现,并引起了同行的广泛关注。在固体高次谐波的理论研究上,已有的研究方法有很大的局限性。比如含时密度泛函理论(TDDFT)的计算量在千核量级,效率低下。求解半导体布洛赫方程(SBE)的方法计算量小,但跃迁偶极矩相位的问题可能引入非物理效应,因此需要发展新的方法。此外,高次谐波频谱包含丰富的动力学信息,但信息的有效提取是研究的难点。针对以上科学问题,本论文在如下方面取得了创新性的研究成果:(1)发展了基于模型势的二维材料高次谐波理论新方法,计算得到的高次谐波椭偏率和相位等关键信息与实验结果吻合。TDDFT计算量巨大,难以扩展到较大体系的模拟计算。SBE方法需要使用预先计算好的跃迁偶极矩,而目前常用的跃迁偶极矩来自密度泛函理论(DFT)的计算,该偶极矩相位的不连续问题导致模拟过程无法进行。借助Kohn-Sham方程,我们将多电子薛定谔方程简化为了只包含一个有效势的单电子薛定谔方程。我们基于密度泛函理论计算出的石墨烯能带、跃迁偶极矩和电荷密度,通过迭代对比的方法构造出了一个模型势阱。基于模型势阱而非跃迁偶极矩的模拟,可以很好地避开偶极矩相位不连续的问题。用该模型势阱作为单电子薛定谔方程中的有效势,我们对强激光场和石墨烯相互作用辐射高次谐波的过程进行了模拟。在使用和Yoshikawaet al.[Science 356,736(2017)]的实验同样激光参量的情况下,我们得到和他们的实验一致的结果,高次谐波强度对驱动光椭偏率的依赖关系、高次谐波的椭偏率以及谐波主轴的取向角都和实验吻合得比较好。只有实验上第7阶高次谐波y方向(垂直于激光偏振方向)强度的明显增强这一点与我们的模拟有差异。可能的原因是该方法中没有引入对于整个电子动力学过程的衰减项(比如退相时间)而导致的。我们还研究了载波包络相位和啁啾对于单层石墨烯中高次谐波产生的影响。我们发现虽然载波包络相位能够显着地移动带隙较大的半导体材料中的高次谐波,但是对于零带隙石墨烯中的高次谐波影响较小,只导致第9阶有可观测的频率移动,而对于低阶谐波几乎没有影响。而在对单层石墨烯作用啁啾幅度相等但符号相反的正负啁啾脉冲时,高次谐波在这两种情况下出现了明显的差异。我们给出了定性的电子动力学过程分析,该分析将这种差异的根源指向了电子在固体中不同的激发过程。(2)发现了带内带间电流干涉效应,揭示了超快时间分辨的电子波包群速度与相速度的同步性对高次谐波的影响。固体高次谐波的带内、带间模型已被广泛接受,但是他们之间的内在联系还少有研究。我们通过他们之间的干涉效应找到了谐波总强度随激光参数变化的内在因素。我们通过理论分析给出了带内、带间电流干涉的数学形式。通过数值求解含时薛定谔方程模拟外加激光场和周期性模型晶体的相互作用,找出了明显的干涉区域。并且通过时频分析确定了干涉相长和干涉相消的谐波辐射时间。针对这些时间对带内、带间电流进行进一步的分析,我们发现了带内、带间电流的干涉相长和干涉相消分别对应带内、带间电子运动过程的同步和异步。对带内谐波和带间谐波的相位分析进一步确认了谐波的干涉确实来自带内和带间电流的干涉。这种干涉效应给我们调控谐波辐射提供了一个思路和新的工具。接着我们将带内、带间电流发生干涉时电子在能量空间的动力学过程提取出来,因为电子在能量空间的跃迁过程是我们借助光就可以比较方便进行调控的。我们发现在带内、带间电流出现干涉相长效应最强烈的时间段内,电子几乎恰好是从价带跃迁到导带,并且导带上的布居达到峰值的附近。而带内、带间电流之间干涉相消最强烈的时间段正处于电子从导带跃迁到价带,且价带上的电子布居达到峰值的时刻附近。实验上不能直接区分带内、带间电流,但是可以测量高次谐波谱,所以我们进一步研究了带内、带间电流干涉效应会对高次谐波有什么影响。这种干涉是电子动力学干涉,会明显地依赖于激光参量和材料结构。我们在不同的激光参量下发现了该带内、带间电流干涉效应的影响。在中红外驱动脉冲下,带内、带间干涉导致某阶谐波不再是简单的奇数阶,而是分裂出了更多的精细结构。在太赫兹驱动下,带内、带间干涉导致谐波谱在特定的位置出现一个明显的干涉极小值。这些现象都有望在实验上直接被观测到。本论文中开发的新方法兼顾计算效率和准确度,有助于同行开展深入的理论研究。我们发现的带内带间干涉效应有助于提取电子的相速度与群速度的瞬时信息,对固体高次谐波的产生与调控具有重要意义。

周书山[7](2021)在《强激光作用下复杂分子的高次谐波发射》文中研究表明随着超强、超短激光脉冲技术的迅速发展,激光与原子、分子相互作用的研究引起强场物理学家们的广泛关注。实验上观察到了多光子电离、隧穿电离、高次谐波发射和分子解离等强场物理现象。其中,高次谐波是潜在的可调谐的相干极紫外和软x射线波段的桌面光源,在相干衍射成像、超快全息术和超高时间分辨测量中有着广泛的应用。由于分子比原子结构更为复杂,具有额外的自由度和对称性,分子的高次谐波表现出更丰富的特性,为人们进一步优化高次谐波效率、延展谐波谱截止位置及控制谐波偏振特性提供了新的机会。为此,我们理论研究了复杂分子在强激光脉冲电场中的高次谐波发射过程,主要工作分为以下内容:第一,利用含时密度泛函理论方法数值模拟长链状分子1-壬烯(C9H18)在线偏光作用下辐射的高次谐波。计算得到C9H18分子的谐波发射效率显着高于相同激光脉冲作用下的氮分子(N2),谐波谱截止能量也明显大于N2分子。通过分析谐波发射的时间-频率行为和半经典模拟,发现该分子的谐波发射谱中能量增大部分的谐波来源是电子从分子的某个原子发生电离后,返回并与分子的其他原子复合。这一机制产生的谐波被应用于合成高强度的孤立阿秒脉冲。此外,我们还研究了不同空间尺度的链状分子在圆偏振激光作用下的高次谐波。研究发现,链状分子在圆偏振电场作用下产生较强的谐波发射,分子的空间尺度越大,谐波截止能量越大。第二,研究了环状分子在圆偏振激光电场下的高次谐波发射。研究发现,与电离能接近的原子和双原子分子在相同激光脉冲作用下产生的谐波相比,苯分子(C6H6)具有较高的谐波效率和截止能量。并且谐波效率和截止能量随着驱动激光的波长减小而逐渐增大。通过对电子波包的含时演化分析,发现C6H6分子的谐波产生可以归因于电离电子与母体分子离子的复合。通过优化驱动激光脉冲参数,C6H6分子产生的谐波可用于合成孤立的圆偏振阿秒脉冲。在此基础上,研究了分子尺寸更大的环状分子环[18]碳(C18(ring))在圆偏振激光下的高次谐波发射。与C6H6分子相比,在相同入射激光强度和波长条件下,C18(ring)分子的谐波效率高于C6H6分子,谐波截止能量也比C6H6分子大。通过对波包运动行为的分析,发现谐波效率的增加可以归因于在圆偏振激光作用下该分子比C6H6分子的电离波包具有更多的回碰几率。第三,研究了多个电子轨道效应对谐波发射的影响。和原子相比,分子的不同电子轨道电离能更为接近。在强激光作用下,多个电子轨道均会对高次谐波发射产生影响。在相同反旋双圆激光脉冲辐照下,N2分子的高次谐波谱呈现出清晰的整数阶次谐波;而C6H6分子的高次谐波谱则明显存在3N阶次谐波抑制现象。通过分析分子的各个电子轨道布居随时间的演化、轨道电子密度的空间分布和电离势,阐明了不同分子谐波谱3N阶次差异的原因:N2分子中对谐波起主要贡献的3条分子轨道的空间分布整体呈现沿分子轴方向的线性分布,在相同激光脉冲条件下,C6H6分子对谐波发射贡献较大的12条分子轨道空间分布整体呈现近球形分布。在此基础上,研究了分子准直效应对N2分子高次谐波谱的影响,发现非准直(准直平均后)的计算结果与实验测量结果一致。此外,研究了乙炔分子(C2H2)在反旋双圆激光脉冲作用下的谐波发射谱,发现谐波谱的低能区存在3N阶次抑制现象,随着阶次的增加,谐波谱的峰值附近出现子峰结构;阶次继续增大,谐波谱中的子峰结构消失,所有整数阶次谐波均可被观察到。通过分析各电子轨道的电离几率的演化和谐波谱中不同分子轨道谐波的贡献,发现产生这种特殊谐波光谱的原因是不同数目的电子轨道对谐波发射谱的贡献以及各轨道的干涉。通过改变驱动激光光强,可以对其谐波发射行为进行有效地调控。

翟丽丽[8](2021)在《线偏振脉冲下He原子高次谐波产生的波长标度研究》文中提出飞秒脉冲强激光与物质相互作用产生高次谐波发射是强场物理领域研究的热点问题之一。高次谐波发射在诸多方面有着广泛的应用,可作为低成本XUV相干光源,是获得阿秒(10-18s)光脉冲的有效手段之一,可用来探测复杂分子结构及动力学过程等。随着中红外飞秒脉冲激光技术进步,为高次谐波产生提供了新的途径。在高次谐波产生过程中,驱动激光波长提供了一个方便的实验调控“旋钮”。首先,通过其控制Keldysh参数进而改变电子的电离机制在隧穿区和多光子区之间转换。第二,高次谐波的产生直接依赖于电离电子在驱动场中的颤动能量,可通过调节波长将其推到前所未有的高能极限。第三,通过波长控制高次谐波相位,有希望改善阿秒区脉冲的产生。此外,长波激光的应用对于研究凝聚相系统中高次谐波的产生也是至关重要的,因为它有助于在材料的传输窗口内产生高转化效率的谐波并提高损伤阈值。本文通过数值求解含时薛定谔方程,理论上系统地研究了He在单色线偏振脉冲辐照下产生高次谐波的强度与驱动激光波长标度关系。研究发现,当限定驱动场下电子平均颤动能Up(有质动力能)不变情况下,随驱动激光波长的增加,谐波强度迅速下降。比之于此前研究工作的驱动脉冲光强一定条件下谐波强度-波长标度规律,谐波强度下降迅速,其标度关系达到了IHH∝λ-13。通过对比分析不同波长激光场下He原子电离率、电离电子波包演化、电子经典轨迹以及不同空间维度下的结果等发现,在Up不变情况下,谐波强度随驱动脉冲波长迅速下降主要归因于电子电离率随场强幅值的迅速下降(Up一定的条件下,波长增加则带来场强的下降)。还有一部分次要原因来自于电离电子波包的空间弥散效应,空间维度越高弥散效应影响越大(而在驱动脉冲光强一定情况下,电离随波长变化效应与空间弥散效应影响,可相比拟)。本论文关于原子高次谐波波长标度的研究工作为人们控制高次谐波发射效率提供了有益参考和可供借鉴的结论。

申许许[9](2021)在《反向双圆场辐照下He原子的高次谐波发射》文中指出激光器的问世为研究和调控原子分子的运动提供了新的手段。为了实现对原子、分子内部电子运动过程的调控,需要获得频率更高,偏振可控的相干光源。利用反向双色圆偏振激光脉冲与原子相互作用产生的高次谐波辐射可以产生这样的光源。但是目前产生的高次谐波强度较低,为了优化谐波强度,需要对谐波产生的过程和机理进行深入分析。为此,本论文深入研究了氦原子在反向双色圆偏振激光脉冲作用下的谐波发射过程,重点分析势函数和电子的多次重碰过程对谐波发射效率的影响,具体包括以下两方面工作:(一)通过数值求解含时薛定谔方程模拟了氦原子在反旋双色圆偏振激光脉冲作用下的单电子响应过程。系统研究了不同的势函数模型对高次谐波的影响,发现谐波谱的极小值所在的能量位置跟所选势函数模型有关。通过分析周期内的量子轨迹,发现谐波谱的强度极小值的产生来源是不同的量子轨迹之间的干涉。在此基础上,系统地研究了长程势和短程势模型原子产生的谐波的椭偏度随驱动激光光强的变化,发现在多光子通道关闭对应的激光强度附近,产生的谐波强度有较大的改变。通过优选原子、分子靶,有可能产生强度较高的圆偏振谐波辐射。(二)研究了在反向双色圆偏振激光作用下原子的电离电子的多次重碰对高次谐波的影响。通过对yx、两个方向偶极矩的重新组合,将谐波发射谱中的左旋和右旋分开。在此基础上,研究了在激光脉冲幅值为0.096 a.u.,基频波长为1064 nm的反旋双色圆偏振激光脉冲驱动下氦原子谐波发射。发现该激光条件下原子产生的高次谐波光谱在43-50阶次能量范围出现了谐波效率增强现象。通过对谐波发射行为的时间频率分析,发现在这一频谱范围内,每个量子轨迹附近会有一个‘额外’的新的发射轨迹产生。进一步分析一个光学周期内波包演化、电子几率流速以及电离电子的经典轨迹,发现这一‘额外’的发射轨迹来源于电离电子波包的多次回核重碰。这一研究表明,可以通过对激光参数的调控,实现对电子多次重碰的调控,进而实现对高次谐波辐射强度的优化。

闫博[10](2021)在《准直O2和N2分子高次谐波光谱极小值实验研究》文中提出原子分子等体系与飞秒激光作用过程中,产生了许多非线性现象,如:阈上电离和高次谐波等。高次谐波是获得阿秒脉冲和XUV相干光源的特殊手段,并且对研究分子轨道结构超快成像具有重要意义。转动波包的结构信息和相位以及分子轨道结构等都被编码在谐波光谱中。因此,从高次谐波光谱中提取的信息可以帮助我们解析强场超快物理学过程。高次谐波光谱的极小值结构可以反映出分子的轨道结构和电子的超快动力学过程,由此引起了人们的广泛关注。我们首先研究了线偏振激光场中O2和N2分子辐射的高次谐波产率随时间延迟的变化规律。发现当O2和N2分子处在准直点和反准直点时,谐波光谱中都观察到了明显的极小值结构,而随机取向的分子的谐波光谱中的极小值结构较弱。由此说明准直分子的谐波光谱中编码了较丰富的分子结构信息。其次,我们研究了准直O2和N2分子的高次谐波光谱极小值结构的变化规律。结果显示O2分子的谐波光谱中存在多轨道干涉极小值,其位置随激光强度的变化而变化。N2分子的谐波光谱中存在类库伯极小值,极小值的位置不随激光强度的变化发生移动,只与分子中的电子结构有关。此外,我们还发现由于HOMO和HOMO-1轨道在准直点和反准直点的贡献不同,导致N2分子谐波谱中的极小值在准直点和反准直点处位置略微移动。通过分析谐波谱中极小值结构的产生机制,可以帮助我们直观地揭示分子的结构特征,进而更深入地了解激光与分子相互作用的物理过程。

二、强场高次谐波辐射过程中的相位匹配(论文开题报告)

(1)论文研究背景及目的

此处内容要求:

首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景,再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题,并提出你的论文准备的观点或解决方法。

写法范例:

本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。

(2)本文研究方法

调查法:该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。

观察法:用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。

实验法:通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。

文献研究法:通过调查文献来获得资料,从而全面的、正确的了解掌握研究方法。

实证研究法:依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。

定性分析法:对研究对象进行“质”的方面的研究,这个方法需要计算的数据较少。

定量分析法:通过具体的数字,使人们对研究对象的认识进一步精确化。

跨学科研究法:运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。

功能分析法:这是社会科学用来分析社会现象的一种方法,从某一功能出发研究多个方面的影响。

模拟法:通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。

三、强场高次谐波辐射过程中的相位匹配(论文提纲范文)

(1)激光烧蚀等离子体羽流共振增强高次谐波的研究(论文提纲范文)

摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 强场物理及高次谐波的产生
        1.2.1 原子在强激光场中的电离
        1.2.2 高次谐波辐射及半经典三步模型
    1.3 气体高次谐波
    1.4 烧蚀羽流HHG及单阶共振增强机理
        1.4.1 微观机制——单原子响应
        1.4.2 宏观机制——相位匹配
    1.5 团簇及纳米粒子在谐波产生中的应用
    1.6 论文章节安排
第2章 实验装置
    2.1 引言
    2.2 飞秒激光系统
        2.2.1 啁啾脉冲放大系统
        2.2.2 皮秒烧蚀脉冲
    2.3 实验光路
    2.4 真空腔系统
        2.4.1 样品腔
        2.4.2 光谱仪腔
    2.5 本章小结
第3章 锡烧蚀羽流单阶谐波共振增强机理的研究
    3.1 引言
    3.2 相位匹配条件对共振谐波的影响
        3.2.1 实验准备
        3.2.2 实验结果
    3.3 共振增强谐波对激光椭偏度的依赖
        3.3.1 实验准备
        3.3.2 结果与讨论
    3.4 本章小结
第4章 烧蚀羽流中纳米粒子和单体对HHG的贡献——基于铟的单阶共振增强特性
    4.1 引言
    4.2 实验准备
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 铟固体烧蚀羽流(铟单体)单阶共振增强HHG
        4.3.2 铟纳米粒子烧蚀羽流(铟纳米粒子和单体)HHG
        4.3.3 分析与讨论
    4.4 本章小结
第5章 稠密纳米粒子介质单阶共振增强HHG的研究
    5.1 引言
    5.2 实验准备
    5.3 结果与讨论
        5.3.1 稠密碳纳米粒子介质HHG
        5.3.2 稠密金属纳米粒子单阶共振增强HHG
        5.3.3 讨论
    5.4 本章小结
第6章 总结与展望
    6.1 工作总结
    6.2 创新点
    6.3 工作展望
参考文献
附录 缩略词
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

(2)基于高次谐波阿秒光源的超快测量技术(特邀)(论文提纲范文)

0 引言
1 阿秒光电子谱技术
    1.1 阿秒条纹相机
    1.2 阿秒双色双光子干涉
2 阿秒离子谱技术
3 阿秒光谱技术
    3.1 阿秒瞬态吸收光谱法
    3.2 阿秒瞬态混频法
    3.3 阿秒瞬态反射光谱法
    3.4 高次谐波光谱法
    3.5 高次谐波光谱调控技术
4 结论及展望

(3)极紫外光学频率梳的研制(论文提纲范文)

摘要
Abstract
第1章 引言
    1.1 光学频率梳
    1.2 极紫外光学频率梳
    1.3 国内外极紫外光梳的研究现状
    1.4 极紫外光梳的主要应用
        1.4.1 在精密测量物理领域的应用
        1.4.2 在强场与阿秒物理领域的应用
        1.4.3 在其他交叉领域的应用
    1.5 本文主要工作
第2章 高次谐波辐射过程
    2.1 单原子响应
        2.1.1 强场电离
        2.1.2 经典“三步”模型
        2.1.3 基于强场近似的量子模型
    2.2 宏观效应与相位匹配
        2.2.1 单通高次谐波辐射
        2.2.2 腔内高次谐波辐射
第3章 驱动光梳与飞秒共振腔
    3.1 高功率红外驱动光梳
    3.2 飞秒共振腔
        3.2.1 腔的精细度与增强倍数
        3.2.2 高斯光束在腔内的传播与模式匹配
        3.2.3 腔内色散
        3.2.4 锁定腔长
        3.2.5 输出耦合镜
    3.3 真空腔体
    3.4 小结
第4章 极紫外光梳的搭建
    4.1 高功率飞秒共振腔的搭建
    4.2 腔内高次谐波的产生与耦合输出
    4.3 极紫外光梳相干性测量
    4.4 小结
第5章 高重复频率强激光驱动氮气分子荧光研究
    5.1 实验装置
    5.2 实验结果
    5.3 分析与讨论
    5.4 小结
第6章 结论与展望
参考文献
作者简历及攻读博士学位期间发表的学术论文与研究成果
致谢

(4)椭偏激光场下Ar和N2高次谐波产生研究(论文提纲范文)

摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 飞秒激光与物质相互作用
        1.1.1 激光场中的物质电离机制
        1.1.2 分子在激光场中的非绝热准直
    1.2 强场物理中的基本现象
        1.2.1 非次序双电离
        1.2.2 高阶阈上电离
        1.2.3 激光诱导介质产生高次谐波
    1.3 高次谐波的应用
        1.3.1 高次谐波在阿秒领域中的应用
        1.3.2 高次谐波在探测分子轨道结构中的应用
        1.3.3 基于高次谐波产生的极紫外涡旋光的应用
    1.4 椭偏光场中的高次谐波研究
    1.5 本文的主要内容
第二章 实验系统与理论方法
    2.1 飞秒激光系统及实验光路
        2.1.1 飞秒激光系统
        2.1.2 基于泵浦-探测技术的实验光路
    2.2 实验真空系统
    2.3 高次谐波探测系统及标定
        2.3.1 极紫外平场光栅光谱仪
        2.3.2 光谱仪的标定
    2.4 高次谐波椭偏依赖的非绝热半经典计算方法
    2.5 本章总结
第三章 Ar和 N_2高次谐波椭偏依赖及谐波的轨迹分辨
    3.1 高次谐波的椭偏依赖特点
    3.2 Ar和 N_2高次谐波的椭偏依赖
    3.3 长、短轨迹下的高次谐波产生及其相位匹配机制
    3.4 本章总结
第四章 长、短轨迹下Ar和 N_2高次谐波的椭偏依赖特性研究
    4.1 Ar、N_2的低阶谐波与高阶谐波比率随椭偏率变化规律
    4.2 非绝热半经典计算分析长、短轨迹下谐波椭偏依赖特性
        4.2.1 短轨迹下的电子动力学过程分析
        4.2.2 长轨迹下的电子动力学过程分析
        4.2.3 库仑效应对椭偏依赖的影响揭示分子结构特性
    4.3 本章总结
第五章 总结与展望
参考文献
攻读硕士学位期间取得的科研成果
致谢

(5)晶体高次谐波的优化控制(论文提纲范文)

摘要
ABSTRACT
第1章 引言
    1.1 气体高次谐波
    1.2 晶体高次谐波
    1.3 超快动力学的操控
    1.4 本文工作介绍
第2章 晶体内超快动力学的理论研究方法
    2.1 求解半导体布洛赫方程
        2.1.1 半导体布洛赫方程的计算
        2.1.2 带间高次谐波的三步模型
    2.2 全布里渊区采样的TDSE方法
        2.2.1 计算定态薛定谔方程
        2.2.2 速度规范的TDSE
        2.2.3 长度规范的TDSE
第3章 晶体带内谐波的优化控制
    3.1 半经典带内谐波模型
    3.2 晶体高次谐波的泵浦探测与多电子干涉
    3.3 k分辨的带内谐波
    3.4 晶体高次谐波的场强依赖与多电子干涉
    3.5 电子和空穴的带内谐波干涉
    3.6 利用带内谐波重构能带
    3.7 利用带内谐波探测布洛赫振荡
    3.8 小结
第4章 带间高次谐波的锁模机制
    4.1 非均匀场诱导的高次谐波的两种计算方法
    4.2 整数阶谐波峰的形成
    4.3 长短轨道干涉的控制
    4.4 高次谐波的锁模机制
    4.5 提取阿秒分辨的超快动力学
    4.6 长度规范下的计算
    4.7 小结
第5章 光激发中的波包干涉
    5.1 从多光子到隧穿的转变
    5.2 阿秒分辨的QuIC
    5.3 小结
第6章 总结与展望
参考文献
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
致谢

(6)固体高次谐波中的带内带间电流干涉效应(论文提纲范文)

摘要
Abstract
第1章 引言
    1.1 超快光学基础
    1.2 从微扰机制的谐波到阿秒脉冲
    1.3 从原子分子到固体——在获取超短脉冲方面的努力
    1.4 固体高次谐波的性质及产生机制
    1.5 固体高次谐波的应用
    1.6 固体高次谐波和气体高次谐波优势对比
    1.7 本文的主要研究内容
第2章 理论和数值计算方法
    2.1 含时薛定谔方程
        2.1.1 分裂算符法求解含时薛定谔方程
        2.1.2 用Crank-Nicolson方法求解含时薛定谔方程
    2.2 定态薛定谔方程
        2.2.1 用波函数含时演化方法求解定态薛定谔方程
        2.2.2 基矢展开法求解定态薛定谔方程
        2.2.3 几种计算方法的优势对比
    2.3 半导体布洛赫方程
    2.4 含时密度泛函理论简介
第3章 单层石墨烯中的高次谐波产生
    3.1 背景简介
    3.2 无外场石墨烯中一些物理量的计算
    3.3 激光和石墨烯相互作用
        3.3.1 数值计算方法
        3.3.2 椭偏光与石墨烯相互作用
        3.3.3 载波包络相位对石墨烯中谐波产生的影响
        3.3.4 啁啾脉冲调控石墨烯中的谐波产生
    3.4 模型势
        3.4.1 模型势阱的理论依据
        3.4.2 模型势阱具体形式的获得
        3.4.3 模型势计算结果和密度泛函理论计算结果之间一些差异
    3.5 归纳和总结
第4章 固体谐波产生过程中带内电流和带间电流之间的干涉现象
    4.1 研究背景
    4.2 相位的重要性
    4.3 数值计算方法
    4.4 结果及讨论
        4.4.1 谐波谱的带内、带间和干涉贡献
        4.4.2 对激光引发的电流的分析
        4.4.3 相位分析
        4.4.4 电子布居分析
        4.4.5 干涉效应产生的谐波精细结构
        4.4.6 干涉导致的谐波辐射抑制
    4.5 归纳与总结
第5章 总结和展望
参考文献
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
致谢

(7)强激光作用下复杂分子的高次谐波发射(论文提纲范文)

摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 超快激光技术的进展
    1.2 原子、分子在强激光场中的电离
        1.2.1 多光子电离
        1.2.2 隧穿电离
    1.3 高次谐波发射
        1.3.1 高次谐波的产生
        1.3.2 线偏振高次谐波发射
        1.3.3 圆偏振高次谐波发射
    1.4 复杂分子的高次谐波发射
        1.4.1 链状分子的高次谐波发射
        1.4.2 环状分子的高次谐波发射
        1.4.3 分子高次谐波的多轨道效应
    1.5 本论文主要工作
第二章 理论方法
    2.1 含时密度泛函理论
    2.2 数值实现
第三章 链状分子在强激光作用下的高次谐波发射
    3.1 1-壬烯分子在线偏光作用下的高次谐波发射
    3.2 不同空间尺度的链状分子在圆偏光作用下的高次谐波发射
    3.3 本章小结
第四章 环状分子在圆偏光作用下的高次谐波发射
    4.1 苯分子在圆偏光作用下的高次谐波发射
    4.2 不同空间尺度的环状分子在圆偏光作用下的高次谐波发射
    4.3 本章小结
第五章 双色反旋圆偏光作用下分子高次谐波的多轨道效应
    5.1 多轨道效应对双色反旋圆偏光作用下分子高次谐波的影响
    5.2 光强对双色反旋圆偏光作用下分子高次谐波多轨道效应的影响
    5.3 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
参考文献
作者简介
攻读博士期间取得的成果
致谢

(8)线偏振脉冲下He原子高次谐波产生的波长标度研究(论文提纲范文)

摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 高次谐波的研究意义
    1.2 原子分子在强场下的电离
    1.3 高次谐波的产生
    1.4 高次谐波标度定律的研究进展
    1.5 本文主要工作
第二章 理论与方法
    2.1 原子在强激光中满足的含时薛定谔方程
    2.2 Crank-Nicholson中心差分方法
    2.3 劈裂算符法求解含时Schr(?)dinger方程
    2.4 虚时演化法求解初始波函数
    2.5 高次谐波谱
第三章 一维空间下He原子高次谐波辐射的波长标度关系
    3.1 He原子在梯形包络线偏振场下的波长标度
        3.1.1 一维空间下He原子在梯形包络线偏振场下的高次谐波谱
        3.1.2 一维空间电子波包的弥散效应对谐波发射的影响
    3.2 一维空间下He原子在Gauss包络短脉冲下的高次谐波波长标度
    3.3 光强不变的线偏振脉冲下He原子高次谐波的波长标度
    3.4 小结
第四章 二维空间下He原子高次谐波辐射的波长标度关系
    4.1 二维空间下He原子在梯形包络线偏振场下标度定律
        4.1.1 二维空间下He原子在梯形包络线偏振场下的高次谐波谱
        4.1.2 二维空间电子波包的弥散效应对谐波发射的影响
    4.2 二维空间下He原子在Gauss包络短脉冲下的高次谐波波长标度
    4.3 二维空间下光强不变的线偏振脉冲下He原子高次谐波的波长标度
    4.4 一维与二维空间下Up相同时标度定律对比
    4.5 小结
第五章 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 展望
参考文献
致谢

(9)反向双圆场辐照下He原子的高次谐波发射(论文提纲范文)

摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 强激光技术的发展
    1.2 原子在激光场中的电离
    1.3 高次谐波的产生
    1.4 反向双圆场下高次谐波的研究
    1.5 本文工作主要内容
第二章 理论模型与计算方法
    2.1 原子模型势
    2.2 含时薛定谔方程
    2.3 CRANK-NICHOLSON中心差分法
    2.4 劈裂算符法
    2.5 高次谐波谱
    2.6 小波分析法和经典轨迹计算
第三章 反向双圆场下势函数对谐波的影响
    3.1 不同势函数下的高次谐波谱
    3.2 不同势函数下的高次谐波增强机制
    3.3 势函数对谐波强度和椭圆率的调控
    3.4 小结
第四章 电离电子的多次重碰对谐波的影响
    4.1 组合偶极矩下的谐波谱特征
    4.2 特定激光参数下谐波效率的增强
    4.3 特定激光参数下的波包演化分析
    4.4 波包多次回核重碰引起的谐波增强
    4.5 小结
第五章 总结与展望
    5.1 总结
    5.2 展望
参考文献
作者在学期间所取得的科研成果
致谢

(10)准直O2和N2分子高次谐波光谱极小值实验研究(论文提纲范文)

摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 超短脉冲激光与原子分子相互作用
        1.1.1 激光技术的发展史
        1.1.2 激光与原子分子相互作用
    1.2 高次谐波的研究现状及其应用
        1.2.1 高次谐波的研究现状
        1.2.2 高次谐波的应用
    1.3 高次谐波光谱极小值
        1.3.1 双中心干涉极小值
        1.3.2 多轨道动态干涉极小值
        1.3.3 类库珀极小值
    1.4 本文的安排
第二章 实验系统
    2.1 极紫外光谱仪
    2.2 高次谐波光谱的标定
第三章 准直O_2和N_2分子的高次谐波
    3.1 引言
    3.2 分子的准直
    3.3 线性分子准直的理论模型
    3.4 分子的准直优化
    3.5 实验测量的准直O_2和N_2分子
    3.6 本章小结
第四章 O_2和N_2分子高次谐波光谱极小值
    4.1 引言
    4.2 O_2分子的多轨道干涉极小值
    4.3 N_2分子的类库珀极小值
    4.4 本章小结
第五章 总结与展望
    5.1 总结
    5.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表论文
致谢

四、强场高次谐波辐射过程中的相位匹配(论文参考文献)

  • [1]激光烧蚀等离子体羽流共振增强高次谐波的研究[D]. 梁景广. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所), 2021
  • [2]基于高次谐波阿秒光源的超快测量技术(特邀)[J]. 曹伟,陆培祥. 光子学报, 2021(08)
  • [3]极紫外光学频率梳的研制[D]. 张津. 中国科学院大学(中国科学院精密测量科学与技术创新研究院), 2021(01)
  • [4]椭偏激光场下Ar和N2高次谐波产生研究[D]. 高庆华. 吉林大学, 2021(01)
  • [5]晶体高次谐波的优化控制[D]. 吕令杰. 中国科学院大学(中国科学院精密测量科学与技术创新研究院), 2021(01)
  • [6]固体高次谐波中的带内带间电流干涉效应[D]. 王新强. 中国科学院大学(中国科学院精密测量科学与技术创新研究院), 2021(01)
  • [7]强激光作用下复杂分子的高次谐波发射[D]. 周书山. 吉林大学, 2021(01)
  • [8]线偏振脉冲下He原子高次谐波产生的波长标度研究[D]. 翟丽丽. 吉林大学, 2021(01)
  • [9]反向双圆场辐照下He原子的高次谐波发射[D]. 申许许. 吉林大学, 2021(01)
  • [10]准直O2和N2分子高次谐波光谱极小值实验研究[D]. 闫博. 吉林大学, 2021(01)

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强场高次谐波辐射中的相位匹配
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