【摘 要】
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从激光技术诞生到今天,科学家们一直致力于产生更短的光脉冲。阿秒激光脉冲(1阿秒等于10-18秒)是目前人类所能产生的发光持续时间最短的脉冲。这种脉冲的出现使得科学家对物质世界的观察时间尺度达到了阿秒量级,并且通过将阿秒量级的超高时间分辨率和埃(1埃等于0.1纳米)量级的超高空间分辨率进行结合,科学家将能够对亚原子级微观世界中的超快过程进行探测和操控。目前通过将阿秒脉冲应用于“泵浦探测”技术,人们已
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从激光技术诞生到今天,科学家们一直致力于产生更短的光脉冲。阿秒激光脉冲(1阿秒等于10-18秒)是目前人类所能产生的发光持续时间最短的脉冲。这种脉冲的出现使得科学家对物质世界的观察时间尺度达到了阿秒量级,并且通过将阿秒量级的超高时间分辨率和埃(1埃等于0.1纳米)量级的超高空间分辨率进行结合,科学家将能够对亚原子级微观世界中的超快过程进行探测和操控。目前通过将阿秒脉冲应用于“泵浦探测”技术,人们已经可以研究原子和分子中的电子超快动力学过程。由此应运而生的阿秒科学也成为一个亟待开拓的全新科学领域,它不仅可以帮助科学家研究原子和分子内电子的运动过程等基础物理问题,还可以拓展到化学、生命科学、材料学等领域为其提供全新的研究方法和实验手段。高次谐波是超强飞秒激光与物质相互作用产生的一种高阶非线性过程。在该过程中辐射出的谐波光子能量能达到驱动激光光子能量的数十至数百倍,并且具有良好的时空相干性。目前气体高次谐波辐射是唯一一种能够产生阿秒脉冲的实验手段。在实验中,科学家根据高次谐波辐射对驱动激光各种参量的依赖关系设计了很多阿秒脉冲产生方法。近年来,实验人员获得的最短脉冲宽度已低至43阿秒,接近一个原子时间单位;脉冲的最大光子能量也达到400电子伏特;单个阿秒脉冲的脉冲能量也已达到1.3微焦。而电场偏振作为一种重要的光场特性,赋予阿秒脉冲特殊的偏振性将能够为其带来更广阔的应用前景。因此如何调控阿秒脉冲的椭偏率以及产生完全圆偏振的阿秒脉冲也是当前阿秒科学的研究热点之一。围绕“近圆偏振阿秒脉冲产生及调控”这一研究课题,本论文在已有研究工作的基础上,主要开展了以下几个方面的研究:(1)在实验中探究了正交双色驱动光场谐波辐射特性与各项电场参数之间的依赖关系。通过实验,我们发现改变正交双色场的偏振夹角、相对相位、强度比等电场参量能够对不同阶次高次谐波的产生效率和椭偏率进行调控。利用这一谐波调控特性再结合基于强场近似模型的理论计算结果,我们提出了一种利用近正交双色场的实验方案,并在实验中通过该方案选择性的增强了单一旋性的谐波阶次从而获得了具有较大椭偏率和较高强度的谐波辐射。(2)提出中了一科种高技效产生大孤立学近圆硕偏振阿士秒脉学冲的位方法。论该方文法通过三束不同波长的线偏振激光脉冲叠加得到的三色合成光场驱动原子气体产生高次谐波。理论计算结果显示该方法产生的谐波在截止区附近具有接近1的椭偏率并且可以合成出孤立近圆偏振阿秒脉冲。同时,该方法还具有谐波辐射选通机制,能够将驱动激光脉冲的脉冲宽度限制提升到40飞秒以上。通过求解电子的牛顿运动方程和鞍点方程,我们对该光场产生谐波的椭偏率来源进行了探究。随后,我们还利用时频分析方法解释了该光场的选通机制。同时,我们发现提高部分光场的强度可以提升其产生阿秒脉冲的椭偏率并进一步缩短其脉宽。(3)提出了一种过电离机制下的高亮度水窗波段谐波产生方法。该方法的目的是同时提高谐波辐射的光子能量和辐射强度,其使用一种类似“泵浦探测”光场的双脉冲光场来驱动气体原子产生谐波辐射。理论计算结果显示,相比较于过电离机制下单脉冲光场产生的高次谐波,该方法产生的谐波辐射强度能够超出一个数量级且谐波的光子能量也被提升了数十电子伏特。我们通过求解传播方程和计算谐波含时相位匹配发现双脉冲光场在传播过程中将出现和单脉冲光场完全不同的电场时空分布,并能够实现更好的相位匹配条件。不仅如此,通过调节脉冲强度或气体压强,双脉冲光场产生的谐波强度和光子能量可以被同时提升,而不会出现单脉冲光场谐波强度和光子能量此消彼长的变化趋势。
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