高次谐波宏观传播及其相位匹配特性研究

摘要

高次谐波是强飞秒激光脉冲与原子分子气体相互产生的一种极端非线性现象。基于高次谐波产生的阿秒脉冲具有极高的时间分辨率以及良好的空间相干性;为微观超快动力学探测提供了有力工具;极大促进了阿秒度量学的发展。高次谐波的产生过程包括微观单原子响应和宏观传播两个部分。宏观传播和相位匹配对高次谐波的时空特性以及阿秒脉冲的产生有着重要影响。本文在传统相位匹配的基础上;进一步发展了含时相位匹配理论;研究了相位匹配含时性对高次谐波频谱特性的影响。此外;将宏观传播模型拓展至金属纳米结构体系;深入研究了金属纳米结构中高次谐波的传播效应。论文的主要工作及创新点如下： （1）研究了含时相位匹配效应对高次谐波辐射的影响。发现高次谐波长;短量子轨道在激光脉冲上升沿和下降沿的相位匹配情况会有所差异。进一步基于强场近似模型求解麦克斯韦方程组发现长;短量子轨道相位匹配随时间的变化能够导致谐波的频谱分裂以及频率移动现象。进一步;我们系统研究了激光强度;脉宽;以及气体位置对谐波含时相位匹配以及相应的空间频谱特性的影响。该研究有助于更加深刻地理解高次谐波的空间频谱特性。 （2）研究了强激光场驱动下高次谐波含时相位匹配对宽频带极紫外超连续谱产生的影响。通过数值求解麦克斯韦方程组;我们发现高次谐波的含时相位匹配能够调控高次谐波辐射的量子轨道;进而拓宽产生的极紫外超连续谱的谱宽。此外;我们还发现通过调节激光束腰半径;激光聚焦位置可以有效控制极紫外超连续谱的谱宽。该研究为产出极紫外超连续谱以及超短阿秒脉冲提供了一个新方法。 （3）建立了金属纳米结构中高次谐波宏观传播模型。基于该模型;我们发现金属纳米结构产生的宏观高次谐波谱在高能区域会急剧衰减。该结果很好地解释了之前单体研究结果与实验观测之间的差异。此外;我们还发现由激光载波包络相位π跳变引起的谐波截止区差异严重依赖于谐波产生的空间位置。而且;在考虑集体效应之后;这种截止区的差异会消失。该结果能够使人们更加全面地认知金属纳米结构中高次谐波的产生过程。 （4）采用线偏振激光驱动两对垂直摆放的蝴蝶结型金属纳米结构;构造了一个等离子体增强的偏振门电场。发现当两对蝴蝶结结构具有不同几何尺寸时;水平和垂直方向的电场分量会产生不同的相位响应;从而产生一个椭偏率随时间变化的合成电场。进一步研究发现;当入射激光电场偏振方向在45°到60°之间时;高次谐波辐射主要被限制在激光椭偏率小于0.3的几个光周期内;进而可以用来产生50阿秒左右的单个阿秒脉冲。该等离子体增强的偏振门不依赖激光脉冲的载波包络相位。而且通过调节任意一对蝴蝶结结构的尺寸;还可以有效操控电子的动力学过程;从而产生更高效的超连续谱和单阿秒脉冲。

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