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强场高次谐波及阿秒脉冲的优化研究

作　者: 郑莉
导　师: 陈险峰
学　校: 上海交通大学
专　业: 光学
关键词: 飞秒激光脉冲高次谐波双色场多准相位匹配优化算法
分类号: O437
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

超强超短激光的产生及其应用是近年激光物理与技术发展的新前沿。超强超短激光技术已经能够实现聚焦功率密度达到甚至远超过相对论光强量级或者脉宽接近一个光学周期的激光脉冲,从而将激光场与物质的相互作用推进到非微扰、高度非线性的领域,并进而导致一系列新效应,新现象,其中之一就是高次谐波的产生。通常,超强超短激光与原子、分子气体相互作用产生的谐波转化效率在低级次端随着级次的增加而迅速下降;随后下降趋势变得平缓,形成一个宽阔的平台区;最后在谱的末端,谐波效率迅速下降为零,形成陡峭的截止区。实验表明,强场高次谐波的级次可以高达数百,如以800nm波长的驱动激光场为例,产生的谐波光子最高能量已可达到keV量级。由于高次谐波可望成为可调谐、高强度、台式化的超快(脉宽达到飞秒乃至阿秒时间尺度)极紫外(XUV)相干光源,该领域已经成为国际上强场超快激光物理研究的热点之一。然而因为高次谐波的产生是高度的非线性过程,高次谐波的产生效率非常低。如何推进更短波长以及更高转换效率的高次谐波输出,并进而产生较高能量的单个阿秒脉冲,已成为当前研究的热点问题。本论文围绕提高高次谐波的产生效率以及通过优化展宽截止区XUV超连续谱进一步产生单个阿秒脉冲这两个方面展开了详细的讨论。主要工作和创新性成果如下:1、本文首先对高次谐波产生的理论以及在介质中的传播进行了详细的阐述,这是本文开展研究工作的基础,对如何增强单原子高次谐波辐射进行了理论分析,并讨论了高次谐波在宏观介质中实现相位匹配的主要方案。2、首次提出了对双色场进行多个参数同时优化的思想,利用模拟退火算法对基频800nm和长波2400nm双色合成场进行了附加长波场的能量、脉宽及两脉冲延时同时进行了优化,将氩原子中产生的高次谐波截止区的XUV超连续谱从单色场的10eV拓宽到双色场的115eV。引入多参数优化的思想以后,可以充分利用实验室的激光参数条件,得到高次谐波截止区展宽的XUV超连续谱,从而支持脉宽更短的单个阿秒脉冲产生。3、首次提出了用于高次谐波的多准相位匹配思想,利用谐波在介质中传输的简化模型,数值模拟了谐波信号的传输。用模拟退火优化算法设计了内径非周期调制的空心光纤,利用激光场空间调制提供的多个倒格矢来补偿不同阶次HHG的位相失配,实现了高次谐波的多准相位匹配。通过设计不同的非周期微结构空心光纤,可以得到任意所需的HHG能量谱,从而为阿秒脉冲的产生提供一种新的思路和方法。4、实验上用激光微加工的方法制备了用于HHG多准相位匹配的内径非周期调制的空心毛细管,并设计加工了相对应的高次谐波实验系统和装置,进行了初步的高次谐波实验探索。此外,设计了几种可行的高次谐波多准相位匹配的实验方案。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章文献综述  10-45
  1.1 超强超短激光技术的发展  10-14
  1.2 强光与物质相互作用  14-17
    1.2.1 微扰非线性光学  15
    1.2.2 强场非线性光学  15-16
    1.2.3 相对论非线性光学  16-17
  1.3 高次谐波的研究进展  17-27
    1.3.1 高次谐波研究的意义  17-18
    1.3.2 高次谐波的理论研究进展  18-22
    1.3.3 高次谐波的实验研究进展  22-27
  1.4 阿秒脉冲的研究进展  27-34
    1.4.1 阿秒脉冲序列的产生  28
    1.4.2 单个阿秒脉冲的产生  28-33
    1.4.3 谐波相位与阿秒脉冲  33-34
  1.5 本文的选题意义、内容安排及创新点  34-37
    1.5.1 选题意义  34-35
    1.5.2 本文内容安排  35-36
    1.5.3 创新点  36-37
  参考文献  37-45
第二章高次谐波的微观和宏观分析  45-65
  2.1 高次谐波产生的微观理论  45-51
    2.1.1 经典“三步”模型  45-49
    2.1.2 全量子理论  49-51
  2.2 增强单原子高次谐波辐射的微观分析  51-54
  2.3 高次谐波在宏观介质中的传播  54-59
    2.3.1 色散效应  54-58
    2.3.2 介质对谐波的吸收  58-59
  2.4 增强介质中高次谐波转换效率的宏观分析  59-64
    2.4.1 临界电离  59-60
    2.4.2 相位匹配条件的实现分析  60-64
  参考文献  64-65
第三章多参数优化双色场产生单个阿秒脉冲的研究  65-82
  3.1 引言  65-66
  3.2 双色场物理图像  66-68
  3.3 模拟退火优化算法简介  68-72
    3.3.1 固体退火过程和Metropolis 准则  68-69
    3.3.2 模拟退火算法的基本思想和步骤  69-72
  3.4 附加长波场的多参数优化  72-77
    3.4.1 数值模型与计算方法  72-73
    3.4.2 计算结果与分析讨论  73-77
  3.5 附加场波长优化的引入  77-79
  3.6 本章小结  79-81
  参考文献  81-82
第四章高次谐波的多准相位匹配优化研究  82-99
  4.1 引言  82-83
  4.2 准相位匹配基本理论  83-87
    4.2.1 准相位匹配的基本思想  83-85
    4.2.2 高次谐波的准相位匹配  85-87
  4.3 多准相位匹配的优化模拟  87-97
    4.3.1 数值模型与计算方法  87-89
    4.3.2 计算结果与分析讨论  89-95
    4.3.3 多准相位匹配与准相位匹配的比较  95-97
  4.4 本章小结  97-98
  参考文献  98-99
第五章实验进展及方案设计  99-108
  5.1 实验进展  99-104
    5.1.1 内径非周期调制的空心毛细波导的制备  99-102
    5.1.2 多准相位匹配高次谐波实验装置的设计和加工  102-104
  5.2 基于等离子体密度调制的HHG 准相位匹配实验方案  104-105
  5.3 基于气体介质密度调制的多准相位匹配实验方案  105-107
    5.3.1 气体喷嘴口放置掩模板  105
    5.3.2 温度调控  105-106
    5.3.3 超声波调制  106-107
  5.4 本章小结  107
  参考文献  107-108
第六章总结和展望  108-110
  6.1 本文的主要工作  108-109
  6.2 研究展望  109-110
攻读博士学位期间发表的论文及申请专利  110-111
致谢  111-113

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