張杰院士、劉峰特別副研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)利用上海交通大學(xué)的200 TW飛秒激光裝置，研究了激光對(duì)比度對(duì)固體靶表面高次諧波產(chǎn)生的影響。該團(tuán)隊(duì)利用等離子體鏡系統(tǒng)把激光主脈沖10 ps以前的對(duì)比度從10-8提高至10-10，成功獲得階次為21階的高次諧波。
聚焦前沿：相干衍射成像（CDI），是一種能夠?qū)崿F(xiàn)納米級(jí)超高分辨的三維立體顯微成像的強(qiáng)大工具。目前CDI多采用自由電子激光器（XFEL）。但是這些裝置都規(guī)模巨大，需要耗費(fèi)巨資，只有國(guó)家級(jí)的實(shí)驗(yàn)室才有能力建造，限制了其應(yīng)用。固體靶表面的高次諧波輻射因其波長(zhǎng)短，時(shí)空相干性高和脈寬短等諸多優(yōu)良性質(zhì),有望應(yīng)用于CDI，并有可能成為XFEL最好的替代光源之一。
近日，張杰院士、劉峰特別副研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)利用上海交通大學(xué)的200 TW飛秒激光裝置，研究了激光對(duì)比度對(duì)固體靶表面高次諧波產(chǎn)生的影響。這一工作對(duì)于后續(xù)實(shí)現(xiàn)CDI具有重要啟發(fā)。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Chinese Optics Letters 2017年第8期上。
課題組照片（從左至右）：后排：岳東寧，李博原，方遠(yuǎn)，葛緒雷，高??；
前排：鄧彥卿，魏文青，遠(yuǎn)曉輝，劉峰
獲得持續(xù)時(shí)間更短的脈沖光源用于微觀世界超快過程的診斷與控制，一直是人們追求的目標(biāo)。自鎖模技術(shù)可以產(chǎn)生飛秒激光脈沖，使得人們可以記錄下化學(xué)反應(yīng)過程中原子運(yùn)動(dòng)的“慢動(dòng)作”，在原子的層面研究化學(xué)鍵的斷裂與形成過程。如果想更進(jìn)一步深入原子內(nèi)部捕捉電子的運(yùn)動(dòng)過程，則需要時(shí)間尺度在阿秒（10-18 s）量級(jí)的“閃光燈”。由于光脈沖寬度不可能小于一個(gè)光振蕩周期，產(chǎn)生阿秒脈沖必須使用波長(zhǎng)比可見光更短的極紫外光甚至ｘ射線才有可能。
目前最成功的阿秒脈沖產(chǎn)生方法是基于超短超強(qiáng)激光與氣體相互作用的高次諧波機(jī)制，已經(jīng)可以產(chǎn)生脈寬小于100 as的超短脈沖。由于氣體電離閾值的限制，驅(qū)動(dòng)激光強(qiáng)度不能超過1015 W/cm2。最近的理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，相對(duì)論強(qiáng)激光與固體靶相互作用產(chǎn)生的高次諧波輻射可以突破對(duì)驅(qū)動(dòng)激光強(qiáng)度的限制，有望產(chǎn)生能量更高、時(shí)間更短的相干脈沖輻射。
圖1 固體高次諧波產(chǎn)生阿秒脈沖原理示意圖
從等離子體表面產(chǎn)生高次諧波主要有兩種機(jī)制，即相干尾場(chǎng)輻射機(jī)制(coherent wake emission, CWE)和相對(duì)論振蕩鏡機(jī)制(relativistically oscillating mirror, ROM)。當(dāng)激光強(qiáng)度較低時(shí)，主導(dǎo)機(jī)制是CWE。靶表面的電子會(huì)被激光電場(chǎng)加速并拉出等離子體表面，而后當(dāng)激光電場(chǎng)的方向改變時(shí)，這些電子會(huì)被重新注入到等離子體中激發(fā)等離子體波。
如果靶面電子有一定的密度梯度分布，等離子體波可以通過線性模式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生高次諧波輻射。當(dāng)激光強(qiáng)度達(dá)到相對(duì)論光強(qiáng)（1018 W/cm2）時(shí)，主導(dǎo)機(jī)制是ROM。靶表面在激光的驅(qū)動(dòng)下，以接近光速的速度做周期振蕩。激光被這一高速運(yùn)動(dòng)的表面反射后，由于多普勒頻移產(chǎn)生高次諧波。
圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)：左圖為200TW激光系統(tǒng)；右圖為靶場(chǎng)示意圖。（圖片來源：上海交通大學(xué)激光等離子體實(shí)驗(yàn)室）
高次諧波產(chǎn)生過程不但依賴于激光強(qiáng)度，并且激光脈沖前沿產(chǎn)生的預(yù)等離子體密度分布對(duì)其也有很大影響。張杰院士、劉峰特別副研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)利用上海交通大學(xué)的200 TW飛秒激光裝置，研究了激光對(duì)比度對(duì)固體靶表面高次諧波產(chǎn)生的影響（圖2）。為了在靶表面獲得陡峭的密度梯度，該團(tuán)隊(duì)利用等離子體鏡系統(tǒng)把激光主脈沖10 ps以前的對(duì)比度從10-8提高至10-10，成功獲得階次為21階的高次諧波。
圖3 上圖為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；下圖為實(shí)驗(yàn)獲得的高次諧波原始圖像
實(shí)驗(yàn)中一束強(qiáng)度為3.5×1019 W/cm2的飛秒激光脈沖以15°入射角照射拋光的熔融石英玻璃靶表面，在其反射方向測(cè)量產(chǎn)生的高次諧波光譜（圖3）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：利用等離子體鏡系統(tǒng)可以獲得階次為21階CWE機(jī)制的高次諧波。當(dāng)不使用等離子體鏡系統(tǒng)時(shí)，只能獲得非相干的等離子體輻射。
圖4 (a)采用等離子體鏡系統(tǒng)的原始高次諧波原始圖像；(b)沒有采用等離子體鏡系統(tǒng)的光譜
預(yù)等離子體密度標(biāo)長(zhǎng)對(duì)固體靶表面高次諧波有非常重要的作用，該研究團(tuán)隊(duì)還利用2D particle-in-cell （PIC）方法模擬了密度標(biāo)長(zhǎng)對(duì)高次諧波強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)存在最佳的密度標(biāo)長(zhǎng)使得高次諧波強(qiáng)度達(dá)到最大化。這一結(jié)果有助于深刻理解相互作用過程，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，為將來獲得更大能量的相干短波長(zhǎng)超短脈沖提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和重要技術(shù)手段。
目前實(shí)驗(yàn)中只獲得了CWE機(jī)制的高次諧波。ROM機(jī)制可以產(chǎn)生比CWE機(jī)制波長(zhǎng)更短脈寬更窄的輻射，這對(duì)于很多應(yīng)用都非常重要。實(shí)驗(yàn)中激光強(qiáng)度和等離子體密度梯度都滿足獲得ROM機(jī)制高次諧波的條件。后續(xù)的工作將通過改變激光入射角來探究其對(duì)高次諧波產(chǎn)生的影響，嘗試獲得ROM高次諧波。將來還計(jì)劃選擇出單階諧波做相干衍射成像演示實(shí)驗(yàn)。
論文信息：
Jian Gao, et al.,Influence of laser contrast on high-order harmonic generation from solid-density plasma surface , Chinese Optics Letters 15 (8), 081902 (2017).
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