单个阿秒光脉冲产生方法的研究

单个阿秒光脉冲产生方法研究自动化学院杨梅 201422070125摘要：阿秒光脉冲可以作为超快测量的探针，将成为一种非常有潜力的测量手段。

阿秒脉冲产生方法有多种，本题目主要研究其中的激光与等离子体相互作用产生阿秒光脉冲的方法。

通常产生的阿秒光脉冲都是脉冲链，而测量中可能需要单个阿秒脉冲，因此本研究主要探索单个阿秒脉冲产生的方法。

本研究主要利用PIC粒子模拟方法研究超强激光与等离子体作用时阿秒脉冲产生机制，进而探索如何通过对激光和等离子体的控制实现单个阿秒光脉冲。

本文主要得到如下成果：研究了同一光强时，不同等离子体密度下的谐波辐射，研究发现密度增加时产生的阿秒脉冲对比度提高关键词：高次谐波，等离子体，阿秒脉冲，超短脉冲激光Abstract：Generation of high-order harmonics from laser-matter interaction is an important method to produce attosecond pulse. In the interaction of laser pulses with the surface of plasma, ultra-short wavelength radiation can be generated to obtain attosecond light pulse. Thus, laser-driven high-order harmonic generation is a hot topic in the high-field laser physics. In this thesis, we analyze the interaction of strong laser pulse with solid density plasma surface, and study the characteristics of high-order harmonic radiation using numerical methods with a PIC simulation. The main results are as follows: Harmonic generation with the same intensity, different plasma densities is studied. We find that the contrast ratio of the atto-second laser puase is improved when the density of the target is increased; We also analyze the mechanism of the generation of the quasi-single attosecond pulse and we conclude that it is in relation with the damage to the structure of the the target.Keywords: high-order harmonics, plasma, attosecond pulse, ultra-short laser pulse1. 绪论1.1阿秒光脉冲随着超快光学的快速发展，最近的研究已经进入阿秒的领域，同时也是对亚飞秒技术的延伸。

它将会用来探究更短的时间尺度内电子在原子和分子内的动力学行为。

通过使用飞秒激光脉冲与气体或等离子体的相互作用而产生的高次谐波是一种潜在的产生这样的超短相干辐射脉冲的方法。

阿秒脉冲链的产生源激光与气体间的相互作用获得的高次谐波已经在理论和实验研究上建立起来。

不幸的是，气体谐波的强度不高，而提高气体谐波强度并用更高强度的激光延长谐波到更高的级次都因为电离介质时的消耗而无法实现。

与气体介质不同，等离子体介质具有较强的非线性，并能承受更高的领域。

通过激光与等离子体相互作用获得的高次谐波得到的强度比通过激光与气体相互作用获得的要高得多。

因此，通过激光与等离子体间的作用产生高强度的阿秒脉冲是一种很有前途的方法。

2.研究内容与方法2.1研究内容阿秒光脉冲可以作为超快测量的探针，例如有可能可以测量原子核内电子的运动，将成为一种非常有潜力的测量手段。

阿秒脉冲产生方法有多种，本题目主要研究其中的激光与等离子体相互作用产生阿秒光脉冲的方法。

通常产生阿秒光脉冲都是脉冲链，而测量中可能需要单个阿秒脉冲，因此本研究主要探索单个阿秒脉冲产生的方法。

本研究主要利用PIC粒子模拟方法研究超强激光与等离子体作用时阿秒脉冲产生机制，进而探索如何通过对激光和等离子体的控制实现单个阿秒光脉冲。

2.2研究目的目前通常的阿秒脉冲通常为阿秒脉冲链，而单个阿秒脉冲在探测中更具有优势。

因此该课题研究单个阿秒光脉冲产生的方法。

2.3研究思路首先通过激光与等离子体相互作用产生高次谐波，从而得到单个阿秒脉冲，得到单个阿秒脉冲后，进一步研究光强，等离子体密度，延迟时间对产生单个阿秒脉冲的影响。

3.模拟结果与分析本章首先介绍激光作用于固体等离子体表面产生高次谐波的理论模拟参数，然后介绍模拟结果并对其进行分析。

我们采用PIC 算法，对相对论强度的激光与固体密度等离子体的表面相互作用过程进行数值模拟，通过分析反射电磁场的频谱来研究相互作用的过程。

通过改变参数，我们发现激光强度和等离子体密度对激光转换为谐波的效率影响很大。

通过对反射波进行滤波，我们得到了百阿秒光脉冲。

3.1模拟参数与时间相关的椭圆率的泵浦激光脉冲的合成是通过使用左旋圆偏振激光脉冲和右旋圆偏振激光脉冲。

两个极性相反的圆偏振光的脉冲的电场可以描述为])2cos())[cos(()(00101z t w y t w t f E t E π-Φ++Φ+=, (1)])2)(cos())()[cos(()(00202z t t w y t t w t t f E t E D D D π-Φ+--Φ+--=， (2)10E 表示电场的振幅，2,1=i 表示左旋圆偏振光电场和右旋圆偏振光电场，相对的，0w 和Φ为每个电场的频率和CEP ，D t 为两个电场之间的延迟时间，y 和z 为沿相应的轴的单位向量，)(t f 是缓慢变化的包络电场，可以描述为)(sin )(2T t t f π=, T t ≤≤0 (3)0)(=t f , 其他 (4)其中T 是脉冲持续时间。

在模拟相对论激光与稠密等离子体相互作用的过程中，我们使用了一维激光粒子模拟程序。

无量纲峰值的激光脉冲振幅，)(00c w m eEa e =，其中，0E 是激光电场的峰值振幅， e 和e m 是电子的电荷和质量，相对的，c 是光在真空中的速度。

模拟盒子的长度为λ4，每λ又分成1000个cell ，这里的λ是指激光波长。

等离子体被建模为λ厚度的板，密度e n ，其中， c n 是临界电子密度。

每个等离子体细胞小格最初包含100个宏观粒子，分别包括电子和离子。

我们认为激光脉冲垂直入射到一个陡峭的等离子体平板的表面，同时激光脉冲最初位于0=x 和激光的等离子体平板的前表面之间的初始距离为λ2。

考虑到驱动激光脉冲很短，我们忽略了离子的运动。

等离子体的参数在下面的模拟中不改变。

3.2等离子体密度效应从光强效应中，我们发现电子的运动速度对谐波辐射影响很大。

电子的运动受到两方面影响，一是激光强度，二是等离子体密度。

因此我们需要研究等离子体密度对谐波辐射的影响。

在模拟中，我们固定激光电场幅值为10。

图1(a), 2(a), 3(a), 4(a) 分别是密度为2, 4, 6, 15时的谐波辐射谱。

图1(b), 2(b), 3(b), 4(b) 分别是密度为2, 4, 6, 15时辐射的阿秒脉冲。

其中阿秒脉冲是滤掉了基频波以后得到的。

从图中的谐波辐射谱可以看到，除了较低级次的谐波辐射以外，在高频区域仍然有很长的平台区，即有很多光的能量转化为波长更短的光辐射。

通过滤波后，可以恢复出这些光脉冲。

通过增加密度，我们发现，密度越高时，阿秒脉冲的主脉冲相比于相邻的小脉冲变得更强，即对比度提高。

这种变化可以从相互作用的动力学过程得到解释。

当密度较低时，电荷分离产生的静电场较弱，电子将被光场推动剧烈振荡，从而破坏了靶表面的结构，影响谐波的产生。

当密度增高时，静电场增强，电子只能在靶表面附近振荡，因而更有利于谐波辐射。

从图2(c)中我们看到电子表面会被光压向前推进，电子表面的运动实际上是振荡和向前运动的叠加，因此我们在反射谱上会观察到阿秒脉冲的峰值位置会随着密度而改变。

当密度较低时，靶被向前推进的距离较大，因此反射的脉冲经过的距离长，从而在时间上就靠后，当靶密度增加时，靶表面向前推进的距离小，因此反射的脉冲经过的距离也短，从而在时间上就比较靠前，因此我们观察到，当密度增大时，脉冲的主峰逐渐向t=14时刻移动。

1010101010101010ω/ω0I n t e n s i t y (a r b .u n i t s )T/T 0I I n t e n s i t y (a r b .u n i t s )1（a ） 1(b)2(a)1010101010101010ω/ωIIntensity(arb.units)2(b)T/T0IIntensity(arb.units)x/λy/τ0.511.522.533.56.26.46.66.877.27.47.67.8851151010101010101010ω/ωIntensity(arb.units)2(c) 3(a) 78T/TIntensity(arb.units)10101010101010ω/ωIntensity(arb.units)3(b) 4(a)T/TIIntensity(arb.units)4(b)4.总结我们研究了延迟时间和等离子体密度对等离子体表面谐波辐射的影响。

研究了同一光强时，不同等离子体密度下的谐波辐射，研究发现密度增加时产生的阿秒脉冲对比度提高。

当密度较低时，电荷分离产生的静电场较弱，电子将被光场推动剧烈振荡，从而破坏了靶表面的结构，影响谐波的产生。

当密度增高时，静电场增强，电子只能在靶表面附近振荡，因而更有利于谐波辐射。

最后我们研究了双脉冲的延长时间与产生高次谐波的关系，线偏光有振荡项，因此可以产生有效的高次谐波。

圆偏光不产生较强的阿秒脉冲的主要原因是其不存在振荡项，因此电子只是被向前推进，而无振荡，因此没有有效的谐波辐射。

因此只有两个脉冲交叠的区域才是有效的作用区域，从而我们可以通过控制时间延迟改变作用时间的长度，从而控制阿秒脉冲的个数。