armonici

  • obiecte
  • abstract
  • introducere
  • Rezultatul
  • discuţie
  • metode
  • Setare experimentala
  • Simulări numerice
  • Celula de generare
  • Celula de însămânțare
  • Comentarii

obiecte

  • Fizică Aplicată
  • Știința Attosecond
  • Optică neliniară
  • Razele X.

abstract

Generarea de armonici de înaltă frecvență (HHG) în gaze a fost introdusă ca o tehnică importantă pentru generarea impulsurilor ultraviolete extreme coerente (XUV) la scări de timp ultra scurte. Cu toate acestea, principalul său dezavantaj este eficiența redusă a conversiei, stabilind limite pentru multe aplicații, cum ar fi imagini coerente ultra-rapide, procese XUV neliniare sau lasere laser inoculate. Aici vă prezentăm o nouă schemă bazată pe utilizarea armonicilor sublimate generate într-o „celulă de sămânță” pentru a susține procesul HHG într-o „celulă de generație” situată mai departe în spatele fasciculului laser focalizat. Prin modificarea câmpului fundamental de acționare, aceste tulpini armonice schimbă etapa de ionizare a procesului HHG neliniar. Schema noastră cu două celule crește eficiența conversiei HHG și deschide calea pentru realizarea unor surse robuste intensive de XOS în porozitate.

Interacțiunea impulsurilor laser intense cu medii gazoase atomice sau moleculare duce la o lumină armonică a laserului până la ordine foarte mari de magnitudine 1. Aceste armonici sunt blocate în fază, ducând la o creștere a undelor de lumină XUV. Simplitatea tehnicii experimentale, împreună cu progresele în tehnologia laser ultra-rapidă, au susținut sursele HHG ca instrumente esențiale în multe laboratoare; deschiderea în special a zonei de 2 secunde. Cu toate acestea, HHG suferă de o eficiență de conversie scăzută, parțial din cauza nepotrivirilor de fază în mediul neliniar, care împiedică formarea eficientă a unui câmp macroscopic 3, 4, 5, 6, dar mai ales o reacție slabă a atomilor individuali la câmp.

Răspunsul atomic la un câmp de excitație extern poate fi descris folosind un model în trei pași [Fig. 1 (a)]: Mai întâi, tunelul de electroni legat se ionizează într-un continuum; în al doilea rând, este accelerat de un câmp laser; și în cele din urmă se recombină cu ionul original după inversarea câmpului și emite fotonul XUV 7, 8. Căile electronice pot fi grupate în două familii, numite lungi și scurte, în funcție de timpul de deviere a electronilor și generate la intervalele II și III din Figura 1 (a). Din punct de vedere practic, cele mai interesante sunt traiectoriile scurte, care duc la emisii colimate și spectral înguste. Din păcate, aceste orbite încep uneori aproape de tranziții zero ale câmpului de control electric, suferind de o probabilitate foarte mică de tunelare cuantică.

a) Traiectorii clasice schematice pentru câmpul de control sinusoidal (linia roșie). Culorile indică energia de întoarcere a electronilor în unități de energie ponderomotivă U p. Modificarea câmpului de acționare prin adăugarea unui câmp armonic impar (linia albastră) poate duce la o probabilitate crescută de ionizare a traiectoriilor scurte (intervalul III), suprimând în același timp ionizarea electronilor care nu contribuie (intervalele I și II), așa cum se arată de săgeți. b) Configurare experimentală schematică. Armonicele de nivel scăzut generate în celulele semințe se propagă cu celulele bazale în celulele generatoare și modifică procesul HHG. (c) compararea unui spectru tipic HHG dintr-o celulă de generație umplută cu neon obținută folosind doar linia de bază; și un spectru obținut prin combinarea unui câmp fundamental cu ordine armonice armonice generate într-o celulă de semințe umplută cu argon. În acest din urmă caz, randamentul armonic pentru platoul armonic va crește, în timp ce energia tăieturii și divergența vor scădea.

Imagine la dimensiune completă

Schimbarea câmpului electric de conducere la nivelul subciclului 9 oferă o modalitate de a modifica răspunsul unui atom. Acest lucru a fost investigat în principal prin adăugarea unui al doilea câmp armonic 10, 11, 12, 13, care a perturbat simetria între jumătățile de ore succesive. În schimb, ordinele armonice impare modifică procesul HHG menținând în același timp simetria semicercului. În lucrări de pionierat, Watanabe și colegii săi 14 au investigat efectul celei de-a treia armonici (TH) asupra ionizării simple și HHG în Ar, obținând o creștere de până la zece ori pentru armonicile 27-31. Mai multe lucrări teoretice discută, de asemenea, efectul TH asupra creșterii randamentului 15, 16 și/sau prelungirii limitei de energie 17, 18, 19. O altă abordare a amplificării semnalului prin modificarea răspunsului unui atom este de a controla timpul de ionizare folosind trenuri de impulsuri de atosecundă pentru a iniția un proces în trei etape prin absorbția unui singur foton 20, 21, 22, 23 .

În această lucrare, vă prezentăm o schemă de îmbunătățire simplă și robustă, dar puternică, bazată pe setarea duală a celulelor de gaz [Fig. 1 (b)]. Studiem HHG la neon folosind energie mare (

20 mJ), aproape de câmpul fundamental în infraroșu, concentrat slab pe camera de gaz lungă, rezultând ordine armonice armonice în intervalul 40 - 100 eV, cu o energie tipică de 10 nJ pe ordinea armonică. Adăugarea unei celule de gaz Ar de înaltă presiune înainte de celula de generare duce la o îmbunătățire semnificativă a semnalului No, așa cum se poate vedea în Figura 1 (c). Arătăm experimental și teoretic că îmbunătățirea observată se datorează armonicilor sublimitate, cu armonici reduse, care modifică câmpul fundamental în așa fel încât contribuția traiectoriilor scurte crește.

Rezultatul

În experimentul nostru, celula de generare este situată aproximativ în focarul laserului, în timp ce celula de însămânțare este localizată cu câțiva centimetri mai devreme (a se vedea metodele). Presiunea gazului din celule poate fi ajustată independent și este de obicei de câțiva mbar în celula de generare (Ne) și de până la zeci de mbar în celula de inocul (Ar). Figura 2 (a - c) prezintă spectrele HHG de la neon în funcție de presiunea de inoculare pentru trei intensități de conducere diferite. Dacă nu există gaz în celula de sămânță, se obțin spectre Ne standard. Pe măsură ce crește presiunea de inoculare, semnalul din celula neon scade până când este aproape complet suprimat. La presiuni mai mari, spectrele neonului reapar și sunt semnificativ crescute în intervalul 50-80 eV, în timp ce energia maximă a fotonilor se deplasează ușor la intervale armonice mai mici.

(ac) Spectre de celule de generație în funcție de presiunea celulei inoculului la trei intensități de acționare de 2, 7, 3, 5 și 4, 4 × 1014 W/cm2. Spectrele au fost obținute folosind argon în celula de semințe și neon la presiune constantă în celula de generație. Datele au fost normalizate la cel mai intens spectru de neon amplificat. d) armonici scăzute (3-7) și ordine mari din celula de inocul în funcție de presiunea Ar. Liniile punctate indică ariile măsurate independent de diferiți detectori. Fiecare regiune a fost normalizată la cea mai mare intensitate în intervalul spectral corespunzător.

Imagine la dimensiune completă

Figura 2 (d) prezintă componentele armonice generate în celula de sămânță. Armonicile cu energii peste pragul de ionizare nu sunt prezente la presiuni la care apare îmbunătățirea în celula de generare și, prin urmare, nu sunt responsabile pentru amplificarea semnalului prin ionizarea fotonului unic 20, 21, 22, 23. La aceste presiuni, numai tulpinile armonice armonice sunt formate în mod eficient în celula semințelor, indicând faptul că sunt responsabile pentru procesul de inoculare.

Pentru a verifica interpretarea noastră, am efectuat simulări numerice pentru ambele celule. În celula de generație, am simulat procesul HHG inoculat folosind o aproximare puternică a câmpului (SFA) de 15, 16, 24, 25 (vezi metodele). Câmpul total poate fi scris ca unde E ° este amplitudinea câmpului fundamental, frequency frecvența acestuia, Ip energia de ionizare, rq raportul dintre câmpurile armonice fundamentale și qth și Δ ϕ q faza lor relativă. Deși toate armonicele sub pragul de ionizare Ar pot afecta fenomenul de amplificare, am considerat doar TH, care este cel mai intens (omițând indicele inferior 3). Spectru simulat de HHG la neon cu r | 2 = 0,01, este prezentat în FIG. 3 (a) în funcție de A ϕ. Faza relativă

1 rând conduce la o probabilitate crescută de ionizare, deoarece câmpul electric crește în momentul în care se nasc căi scurte de electroni [intervalul III din Figura 1 (a)]. Amplitudinea câmpului electric este redusă în continuare în jurul vârfului câmpului fundamental, ducând la o probabilitate suprimată de traiectorii care nu contribuie (intervale I, II) și la o situație macroscopică îmbunătățită, deoarece efectele dispersiei și epuizării plasmei sunt reduse la minimum 4, 5. Dacă Δ ϕ ≈ 1 ± π, situația se schimbă și HHG este suprimat în comparație cu cazul care nu a fost văzut.

(a) Spectrele SFA în funcție de A ϕ în celula de generație, normalizate la spectrul invizibil. Se ia în calcul doar contribuția traiectoriei scurte. Este inclusă o grilă eficientă care imită condițiile experimentale. (b) Rezultate experimentale cu TH generate în cristal normalizate la cel mai înalt semnal. c) Simulări de propagare în celula de inocul: Δ ϕ la ieșirea celulei în funcție de timp la diferite presiuni.

Imagine la dimensiune completă

Am confirmat experimental dependența semnalului HHG de AΔ prin studierea HHG utilizând o combinație de bază și TH generată în cristalul 14. Pentru a verifica întârzierea dintre cele două câmpuri, am folosit un interferometru Michelson cu TH produs într-un braț. Rezultatele noastre, prezentate în FIG. 3 (b) prezintă o dependență întârziată puternică a randamentului armonic. Cu toate acestea, în comparație cu schema cu două celule, nu am putut crește eficiența generală a HHG, deoarece o mare parte a câmpului de bază a fost necesară pentru generația TH și, prin urmare, HHG s-a pierdut pentru.

În celula de vaccin, am investigat dependența de presiune a generației armonice de ordin scăzut și înalt. Calculele noastre 26 confirmă observația experimentală că HHG în Ar atinge vârfurile la o anumită presiune (

10 mbar), care corespunde perechii de faze optimizate 27, în timp ce armonicele armonice submasă continuă să crească până la o presiune de până la 100 mbar. De asemenea, am investigat propagarea câmpurilor fundamentale și TH în camera de înaltă presiune 28 (a se vedea metodele). Acest lucru ne-a permis să examinăm relația lor de fază după celula de inocul și să eliminăm transformarea relativ slabă a câmpului de bază în condițiile noastre experimentale ca posibilă cauză de îmbunătățire. Așa cum se arată în FIG. 3 (c), pentru presiuni de inoculare suficient de ridicate, bude bude în timpul unei părți a impulsului laser va fi între 0 și 2 radiani, ducând la mecanismul porților de porți.

discuţie

Ca și în cazul oricărei scheme de îmbunătățire, întrebarea cheie este dacă metoda noastră este avantajoasă față de optimizarea „normală” a HHG, care poate fi realizată, de exemplu, prin focalizare liberă, optimizarea poziției de focalizare în celulă sau ajustarea presiunii gazului. celulele 4, 29, 30. În mod ideal, ar fi potrivit să se compare HHG optimizat și HHG inoculat optimizat pentru o anumită energie de impuls dată. Acest lucru nu este ușor de realizat experimental, așa că am decis să comparăm HHG vaccinat cu HHG fără legătură optimizat cu

10 nJ la 63 eV (a 41-a armonică).

Figura 4 (a) compară al 41-lea semnal armonic în cazuri setate și neobservate în funcție de intensitatea conducerii. Intensitatea necesară pentru a satura HHG inoculat este doar jumătate din intensitatea necesară pentru HHG neîndulcit. Acest lucru explică reducerea energiei finale și divergența mai mică a armonicelor. Factorul de câștig depinde de intensitatea conducerii [Fig. 4 (b, c)]. Pentru a 41-a fluctuație armonică, aceasta variază de la cinci la 3,5 x 1014 W/cm2 (și chiar mai mare la o intensitate mai mică) la două la 4,4 x 1014 W/cm2. Prin optimizarea suplimentară a HHG-ului inoculat (de exemplu prin schimbarea condițiilor de focalizare), ar trebui să fie posibil să se realizeze o creștere și mai mare comparativ cu HHG netratat. Eficiența mai mare combinată cu o divergență mai mică duce la o sursă de lumină XUV mai strălucitoare.

(a) 41. energia armonică în funcție de intensitatea conducerii pentru HHG inoculat (roșu) și neutilizat (albastru). HHG-urile nemonitorizate sunt optimizate la intensitate maximă. (b, c) Spectre experimentale corespunzătoare la 3, 5 și 4, 4 x 1014 W/cm2.

Imagine la dimensiune completă

Pe scurt, am studiat efectul inoculării HHG folosind armonici generate într-o cameră separată de gaz și am arătat că tulpinile armonice sunt responsabile de creșterea rezultată. Câmpul electric combinat îmbunătățește, de preferință, traiectorii scurte și suprimă efectele epuizării și dispersării plasmei. Diferența de fază dorită între bazele armonice și ordinele reduse este obținută prin ajustarea presiunii în celula de semințe, modificând astfel dispersia electronilor liberi. Metoda noastră nu se limitează la combinația de gaze descrisă aici. Am observat randamente armonice crescute experimental pentru diferite combinații de gaze, chiar și atunci când același gaz este utilizat în ambele celule. Simulările noastre arată că îmbunătățirea poate fi scalată cu mult peste un ordin de mărime prin creșterea intensității armonice scăzute, de exemplu folosind celule mai lungi, presiuni mai mari sau gaze cu neliniaritate mai mare. Acest lucru duce, de asemenea, la o poartă de timp mai scurtă, ceea ce este interesant pentru generarea unui singur impuls vsecond.

metode

Setare experimentala

Simulări numerice

Celula de generare

Influența unui al treilea câmp armonic slab asupra procesului HHG a fost simulată rezolvând ecuația Schrödinger dependentă de timp în cadrul unei aproximări puternice a câmpului. Acțiune cvasiclasică pentru mișcarea electronilor într-un continuum

este calculat pentru potențialul vector combinat al câmpului de bază și câmpul auxiliar paralel slab în concordanță cu definiția câmpului din ecuație. (1). t 0 și t corespund timpilor de tunelare și de recombinare pentru electronul de impuls canonic

Celula de însămânțare

S-au efectuat calcule care combină soluția ecuației Schrödinger dependentă de timp în aproximarea unui singur electron activ și propagarea într-un mediu parțial ionizat 26, 5 folosind o aproximare a anvelopei cu variație lentă. Scopul nostru principal a fost investigarea efectului presiunii asupra generațiilor de armonici de ordin scăzut și înalt în condiții care imită experimentul. Am găsit un maxim pentru HHG de aproximativ 10 mbar, în timp ce armonicele armonice care nu sunt reabsorbite în mediu sub valoarea pragului continuă să crească până la presiuni foarte mari (100 mbar).

Generarea celei de-a treia armonici în celula de sămânță a fost simulată utilizând o ecuație de înveliș neliniar unidirecțional (3 + 1) unidirecțional 28. Se are în vedere o relație completă de dispersie dependentă de frecvență, care permite propagarea simultană a armonicilor fundamentale și a treia. Este integrat numeric utilizând metoda în etape împărțite, unde contribuțiile liniare, cum ar fi dispersia și difracția, sunt procesate în spațiul de frecvență transversală, în timp ce partea neliniară, ținând seama de efectul Kerr, a treia generație armonică și dispersia plasmatică și estomparea plasmei, este tratat în spațiul normal. Metoda este descrisă în detaliu în 28. Schimbarea fazei calculate se datorează în principal efectelor dispersiei plasmatice. Există, de asemenea, mici contribuții din faza geometrică obținută de-a lungul celulei de inocul, precum și de dependența celei de-a treia faze armonice dependente de presiune.

Comentarii

Prin trimiterea unui comentariu, sunteți de acord să respectați Termenii și condițiile și Regulile comunității. Dacă găsiți ceva jignitor sau nu respectați termenii sau liniile directoare, marcați-l ca fiind nepotrivit.