核間距對單階諧波增強的影響

2022-06-17 08:38:48徐翠艷馮立強

四川大學學報(自然科學版) 2022年3期

徐翠艷, 馮立強

(遼寧工業大學理學院, 錦州 121001)

1 引言

當原子、分子與強激光相互作用后, 被電離的電子可以在激光場中加速, 并在激光反向時與原子核發生再碰撞, 進而輻射出能量為激光場倍數的高能量光子, 這一現象被稱為高次諧波[1]. 目前, 高次諧波發射過程可以簡單理解為“電離-加速-回碰”三個過程, 即稱為“三步模型”[2].

高次諧波的應用主要有三個方面：第一, 可以用于探測原子和分子的內部結構[3]；第二, 可以用于產生孤立阿秒脈沖[4]；第三, 可以用于獲得能量為基頻場數倍的高能光源[5]. 其中, 利用高次諧波獲得阿秒量級光源以及高頻光源(即應用二和應用三)更是開啟了阿秒科學的大門. 高次諧波獲得阿秒光源主要是通過疊加諧波光譜平臺區. 因此, 研究人員提出多種方法獲得超寬連續平臺區. 例如：組合場方法[6], 啁啾場方法[7], 極化門方法[8], 非均勻場方法[9]. 高次諧波獲得高頻光源主要是通過增強某單階諧波強度來獲得. 例如： Liu等[10]通過調控啁啾場脈寬獲得了波長可調的單階諧波, 其強度可增強15倍.

2 計算方法

本文雙色激光場E(t)形式為,

cos(ω2t+c2t2)

(1)

其中,E1,2為激光振幅；ω1=0.028 a.u. (1600 nm)為基頻場頻率；ω2=0.058 a.u. (800 nm)為其倍頻場；τ1=20 fs,τ2=10 fs為雙色場半高全寬；c1=-6×10-4,c2=-1×10-4為本文選取啁啾參數；激光強度都為2.0×1014W/cm2.

xE(t)]ψ(x,t)

(2)

通過傅里葉變化可得高次諧波譜圖S(ω)為,

(3)

3 結果與討論

首先, 基于前期研究基礎[10]可知, 在本文選取激光波形下, He原子諧波光譜可以呈現620次諧波的單階諧波強度的增強, 如圖1所示. 通過分析諧波輻射過程, 圖2給出了620次諧波強度增強的原因. 結合三步模型和激光波形圖可知, 當電子在A時刻電離后(見圖2a), 其可在后續激光作用下加速, 并在1時刻附近與原子核再次碰撞, 進而發射諧波能量峰A1(見圖2b). 但是, 由于C時刻激光振幅很弱(見圖2a), 電子可以快速通過C時刻在后續負向激光波形中獲得第二次加速, 并且在2時刻附近與原子核再次碰撞, 進而發射諧波能量峰A2(見圖2b). 同理,D時刻激光振幅依然很弱(見圖2a), 電子可以通過D時刻并在后續激光作用下獲得第三次加速, 進而發射諧波能量峰A3(見圖2b). 這里, 由于C和D時刻正向波包的存在, 電子在其附近會呈現先減速再加速的情況, 因此導致諧波輻射能量峰上呈現折疊區域. 對于C時刻, 其對應能量峰光子能量較低, 這里不進行討論. 對于D時刻, 其折疊區域大致在620次諧波附近. 通過觀察諧波光譜貢獻可知, 當諧波能量大于450階諧波時, 光譜區域由能量峰A2和A3貢獻產生. 并且, 當光子能量在450次諧波到620諧波區間時, 諧波光譜由A2貢獻產生；當光子能量在620諧波以上時, 諧波光譜由A3貢獻產生. 只有在620次諧波時, 光譜是由A2、A3和折疊區域產生, 因此, 620次諧波強度要大于其周邊諧波的強度. 這就是620次諧波強度增強的原因. 深入分析一下, 電子除了在A時刻附近電離外, 還可以在B時刻附近電離(見圖2a), 同樣由于C和D時刻較弱的激光振幅, 電子可以在1、2、3時刻與原子核發生碰撞, 進而發生諧波能量峰B1～3(見圖2b). 但是, 能量峰B1～3的強度與A1～3的強度弱很多, 其在諧波光譜上貢獻微乎其微, 因此, 在原子諧波輻射過程中沒有進行討論. 但是, 在分子諧波輻射過程中路徑B將起到很重要的作用(將在下面進行分析).