一种产生近似圆偏的极紫外相干光源的方法

摘要

本发明公开一种产生近似圆偏的极紫外相干光源的方法，所述方法包括步骤：S1、对线性偏振入射激光进行增强使其强度量级达到10

说明书

技术领域

本发明涉及超快激光技术领域，更具体地，涉及一种产生近似圆偏的 极紫外相干光源的方法。

背景技术

基于高次谐波的阿秒脉冲在超快动力学探测方面有着广泛的应用前 景。由于高次谐波本身具有极佳的相干性，因此成为了相干极紫外光源的 首选方案。过去大多数研究主要用来产生线性偏振的阿秒脉冲，但是对于 单个阿秒脉冲的椭偏特性也有重要的应用。例如，在强场电离过程中，N₂分 子产生的具有椭偏的谐波谱能够探测多电子效应。圆偏的脉冲能够产生旋 转的圆形电子波包，导致物质内部磁场在阿秒时间尺度对时间有大的依赖 性，因此产生圆偏的阿秒脉冲对于探测超快电子动力学等方面具有重要意 义。

目前，产生圆偏的阿秒脉冲大致有以下两种方案：(1)使用两个旋转 偏振方向相反的圆偏激光场。(2)使用椭偏的激光场和静电场或者太赫兹 场结合。这两种方法都是使用的具有椭偏率的激光脉冲驱动场，电子的回 复率随着驱动场的椭偏率的增加而降低，产生的阿秒脉冲脉宽较长，强度 较低，无法很好地进行实际应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种产生近似圆 偏的极紫外相干光源的方法，方法采用线性偏振的入射激光，增强后与双 原子气体分子相互作用产生高次谐波，进行相应处理后得到极紫外相干光 源，本发明谐波效率高，产生的脉宽短。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种产生近似圆偏的极紫外相 干光源的方法，所述方法包括步骤：

S1、对线性偏振入射激光进行增强使其强度量级达到10¹³～10¹⁴W/CM²；

S2、将增强之后的入射激光与双原子气体分子进行相互作用产生谐波， 所述谐波波谱具有两个不同方向的分量，调整所述线性偏振入射激光的偏 振方向与分子轴的夹角，直至获取产生光源所需的谐波阶段，所述谐波阶 段内谐波波谱分量能量强度相等、相对相位为90°；

S3、将所述谐波阶段内能量强度相等，相对相位为90°的两个谐波分 量的波谱转换为两个阿秒脉冲，合成后得到近似圆偏的极紫外相干光源。

作为进一步优选地，所述步骤S1中，选用等离子体增强场对线性偏振 入射激光进行增强。

作为进一步优选地，所述双原子气体分子为N₂。

作为进一步优选地，所述线性偏振入射激光的偏振方向与分子轴成 25°～35°夹角。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要 具备以下的技术优点：本发明采用线性偏振的入射激光，增强后与双原子 气体分子相互作用产生高次谐波，进行相应处理后得到近似圆偏的阿秒脉 冲。相对于现有技术的产生方法，本发明方案电子回复效率较高，电子和 母核复合后高次谐波的产生效率较高，产生的脉宽较短。

附图说明

图1为本发明产生近似圆偏的极紫外相干光源的方法流程图；

图2为本发明产生近似圆偏的极紫外相干光源的方法原理示意图；

图3是不同的谐波阶次下不同的取向角β所对应的谐波椭偏率；

图4(a)为β取30°时，x、y两个方向的谐波谱示意图；

图4(b)为β取30°时，x、y两个方向谐波分量的相对相位示意图；

图5(a)为β取30°时，x方向的时频分析图；

图5(b)为β取30°时，y方向的时频分析图；

图6(a)为β取30°时，谐波阶段为140到170次的条件下，近似圆 偏的极紫外相干光源在三维空间的电场分布以及在Time-E_x平面和 Time-E_y平面的投影示意图；

图6(b)为近圆偏的阿秒脉冲在E_x-E_y平面的投影示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。

如图1所示，本发明产生近似圆偏的极紫外相干光源的方法包括步骤：

S1、对线性偏振入射激光进行增强使其强度量级达到10¹³～10¹⁴W/CM²；

S2、将增强之后的入射激光与双原子气体分子进行相互作用产生谐波， 所述谐波具有两个不同方向的分量，调整所述线性偏振入射激光的偏振方 向与分子轴的夹角，直至获取产生光源所需的谐波阶段，所述谐波阶段内 谐波波谱分量能量强度相等、相对相位为90°；

S3、利用傅里叶逆变换公式将所述谐波阶段内能量强度相等，相对相 位为90°的两个谐波分量的波谱转换为两个孤立的阿秒脉冲，将所述两个 孤立的阿秒脉冲合成后得到近似圆偏的极紫外相干光源。

上述步骤S1中，优选采用等离子体增强场对入射的线性偏振激光进行 增强，采用等离子增强场有利于产生较宽的超连续谱，以用于后续合成脉 宽更短的脉冲。等离子体增强场能够产生较宽的超连续谱，这是因为等离 子体的结构使得激光在通过尖端缝隙的时候尖端的自由电荷发生集体震 荡然后重新排布，在尖端产生了一个很大的电势差，经过的电场强度就被 增强。增强后的电场为空间非均匀场，增强之后的强度量级需达到 10¹³～10¹⁴W/CM²，以用于后续与双原子气体分子相互作用产生谐波信号。

上述步骤S2中，气体可选用氮气和二氧化碳等。产生的谐波的椭偏率 $ϵ=\sqrt{\frac{1+R^2-\sqrt{1+2R^2\cos \left(2\delta \right)+R^4}}{1+R^2+\sqrt{1+2R^2\cos \left(2\delta \right)+R^4}}},$R为振幅比，δ为相位差，$R=\frac{\left|a_y\left(t\right)\right|}{\left|a_x\left(t\right)\right|},$δ＝arg[a_y(t)]-arg[a_x(t)]，a_x(t),a_y(t)是偶极加速度a_q(t)的两个垂直分量， 其中Ψ(x,t)为态函数，V₀(x)为分子本身 势能，E(t)为电场强度。

由于氮气分子为对称分子，排列方便，优先选用氮气。其中线性偏振 入射激光的偏振方向与分子轴的夹角(取向角)为25°～30°，优选为30°， 此时获得的椭偏率最佳。

上述步骤S3中，对高次谐波进行傅里叶逆变换得到阿秒脉冲，其公式 为I_q＝|∫a_q(t)exp(iqωt)dt|²，其中q为谐波阶次，ω为激光的角频率，a_q(t)为偶 极加速度。

以下结合一个具体实施例对本发明方案做进一步说明。

如图2所示，(x,y,z)为实验室坐标系，(x’,y’,z’)为分子坐标系。以 N₂分子的中心为原点、分子轴为X’轴按照右手法则建立分子坐标系 (x’,y’,z’)。实验室坐标系(x,y,z)与分子坐标系原点重合，xy平面与x’y’ 平面重合。通过转动x轴得到不同的β角，其中β为入射激光的偏振方向与 分子轴的夹角。

入射激光沿着z轴方向传播，偏振方向为x轴方向。选用蝴蝶结状的 纳米等离子增强场对入射的线性偏振激光进行增强，增强后的激光与射入 到纳米结构缝隙中的N₂分子相互作用产生谐波。所产生的谐波只在x,y两 个方向有分量，通过调整β可以得到强度和相对相位不断发生变化的两个谐 波分量，将两个谐波分量进行合成以得到具有不同椭偏率的阿秒脉冲，从 中选择椭偏率最高的谐波阶段，最终获得近似圆偏的极紫外相干光源。经 验证，对于140到170次谐波阶段的谐波波谱分量，其能量相等，相对相 位为90°，合成后可得到较高椭偏率的阿秒脉冲。

在本实施例中，选用蝴蝶结状的纳米等离子增强场对入射的线性偏振 激光进行增强，等离子体增强场的厚度为45nm，底边长度为80nm，高度 为190nm。增强之后的电场为其中E₀为初 始的入射激光的振幅，E₀＝0.0925，与电场的振幅和增强之后的非均匀场的 峰值强度I₀＝3×10¹⁴W/cm^-2相对应。入射激光波长λ＝1600nm，脉宽T＝3T₀，T₀为入射激光的光周期，载波包络相位φ＝0，表征空间非均匀性系数κ＝0.005， ω为角频率。

根据椭偏率计算公式得到在不同谐波阶次下，不同的β角对应的不同椭 偏率，如图3所示。图3表明在a、b、c三个区域产生的谐波的椭偏率较 高，其中a区域的椭偏率高达0.97，在这个区域满足产生近似圆偏的阿秒 脉冲的条件。由图3可知，a区域对应的β角为30°，谐波阶段为140次到 170次。

在图4(a)中，由于空间非均匀场的特性，能够产生较宽的超连续谱， 可以合成为单个的阿秒脉冲。在140到170次谐波阶段两个方向的分量强 度大致相等，在相同的谐波阶段内，图4(b)表明两个谐波的相对相位大 约为90°。图5给出了两个方向的分量合成的单个阿秒脉冲，从图中可以 看出，两个脉冲的强度大致相等，辐射时间都为1.5个光周期，得到的脉 冲宽度大约为155as。因此，在140到170次谐波阶段，其满足产生近似圆 偏的阿秒脉冲的条件，两个谐波分量的强度相等，相对相位约为90°，且 辐射时间相等。

利用傅里叶逆变换公式将上述两分量的谐波波谱转换为两个孤立的阿 秒脉冲，将所述两个孤立的阿秒脉冲合成后得到近似圆偏的极紫外相干光 源。如图6所示，合成之后的秒脉冲电场绕着脉冲的传播方向旋转，最终 得到了近圆偏的极紫外相干光源。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。