張杰院士、劉峰特別副研究員帶領的團隊利用上海交通大學的200 TW飛秒激光裝置，研究了激光對比度對固體靶表面高次諧波產(chǎn)生的影響。該團隊利用等離子體鏡系統(tǒng)把激光主脈沖10 ps以前的對比度從10-8提高至10-10，成功獲得階次為21階的高次諧波。
聚焦前沿：相干衍射成像（CDI），是一種能夠?qū)崿F(xiàn)納米級超高分辨的三維立體顯微成像的強大工具。目前CDI多采用自由電子激光器（XFEL）。但是這些裝置都規(guī)模巨大，需要耗費巨資，只有國家級的實驗室才有能力建造，限制了其應用。固體靶表面的高次諧波輻射因其波長短，時空相干性高和脈寬短等諸多優(yōu)良性質(zhì),有望應用于CDI，并有可能成為XFEL最好的替代光源之一。
近日，張杰院士、劉峰特別副研究員帶領的團隊利用上海交通大學的200 TW飛秒激光裝置，研究了激光對比度對固體靶表面高次諧波產(chǎn)生的影響。這一工作對于后續(xù)實現(xiàn)CDI具有重要啟發(fā)。相關結果發(fā)表在Chinese Optics Letters 2017年第8期上。
課題組照片（從左至右）：后排：岳東寧，李博原，方遠，葛緒雷，高??；
前排：鄧彥卿，魏文青，遠曉輝，劉峰
獲得持續(xù)時間更短的脈沖光源用于微觀世界超快過程的診斷與控制，一直是人們追求的目標。自鎖模技術可以產(chǎn)生飛秒激光脈沖，使得人們可以記錄下化學反應過程中原子運動的“慢動作”，在原子的層面研究化學鍵的斷裂與形成過程。如果想更進一步深入原子內(nèi)部捕捉電子的運動過程，則需要時間尺度在阿秒（10-18 s）量級的“閃光燈”。由于光脈沖寬度不可能小于一個光振蕩周期，產(chǎn)生阿秒脈沖必須使用波長比可見光更短的極紫外光甚至ｘ射線才有可能。
目前最成功的阿秒脈沖產(chǎn)生方法是基于超短超強激光與氣體相互作用的高次諧波機制，已經(jīng)可以產(chǎn)生脈寬小于100 as的超短脈沖。由于氣體電離閾值的限制，驅(qū)動激光強度不能超過1015 W/cm2。最近的理論和實驗研究表明，相對論強激光與固體靶相互作用產(chǎn)生的高次諧波輻射可以突破對驅(qū)動激光強度的限制，有望產(chǎn)生能量更高、時間更短的相干脈沖輻射。
圖1 固體高次諧波產(chǎn)生阿秒脈沖原理示意圖
從等離子體表面產(chǎn)生高次諧波主要有兩種機制，即相干尾場輻射機制(coherent wake emission, CWE)和相對論振蕩鏡機制(relativistically oscillating mirror, ROM)。當激光強度較低時，主導機制是CWE。靶表面的電子會被激光電場加速并拉出等離子體表面，而后當激光電場的方向改變時，這些電子會被重新注入到等離子體中激發(fā)等離子體波。
如果靶面電子有一定的密度梯度分布，等離子體波可以通過線性模式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生高次諧波輻射。當激光強度達到相對論光強（1018 W/cm2）時，主導機制是ROM。靶表面在激光的驅(qū)動下，以接近光速的速度做周期振蕩。激光被這一高速運動的表面反射后，由于多普勒頻移產(chǎn)生高次諧波。
圖2 實驗系統(tǒng)：左圖為200TW激光系統(tǒng)；右圖為靶場示意圖。（圖片來源：上海交通大學激光等離子體實驗室）
高次諧波產(chǎn)生過程不但依賴于激光強度，并且激光脈沖前沿產(chǎn)生的預等離子體密度分布對其也有很大影響。張杰院士、劉峰特別副研究員帶領的團隊利用上海交通大學的200 TW飛秒激光裝置，研究了激光對比度對固體靶表面高次諧波產(chǎn)生的影響（圖2）。為了在靶表面獲得陡峭的密度梯度，該團隊利用等離子體鏡系統(tǒng)把激光主脈沖10 ps以前的對比度從10-8提高至10-10，成功獲得階次為21階的高次諧波。
圖3 上圖為實驗裝置示意圖；下圖為實驗獲得的高次諧波原始圖像
實驗中一束強度為3.5×1019 W/cm2的飛秒激光脈沖以15°入射角照射拋光的熔融石英玻璃靶表面，在其反射方向測量產(chǎn)生的高次諧波光譜（圖3）。實驗結果表明：利用等離子體鏡系統(tǒng)可以獲得階次為21階CWE機制的高次諧波。當不使用等離子體鏡系統(tǒng)時，只能獲得非相干的等離子體輻射。
圖4 (a)采用等離子體鏡系統(tǒng)的原始高次諧波原始圖像；(b)沒有采用等離子體鏡系統(tǒng)的光譜
預等離子體密度標長對固體靶表面高次諧波有非常重要的作用，該研究團隊還利用2D particle-in-cell （PIC）方法模擬了密度標長對高次諧波強度的影響，發(fā)現(xiàn)存在最佳的密度標長使得高次諧波強度達到最大化。這一結果有助于深刻理解相互作用過程，優(yōu)化實驗條件，為將來獲得更大能量的相干短波長超短脈沖提供實驗基礎和重要技術手段。
目前實驗中只獲得了CWE機制的高次諧波。ROM機制可以產(chǎn)生比CWE機制波長更短脈寬更窄的輻射，這對于很多應用都非常重要。實驗中激光強度和等離子體密度梯度都滿足獲得ROM機制高次諧波的條件。后續(xù)的工作將通過改變激光入射角來探究其對高次諧波產(chǎn)生的影響，嘗試獲得ROM高次諧波。將來還計劃選擇出單階諧波做相干衍射成像演示實驗。
論文信息：
Jian Gao, et al.,Influence of laser contrast on high-order harmonic generation from solid-density plasma surface , Chinese Optics Letters 15 (8), 081902 (2017).
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