ГЕНЕРАЦИЯ АТТОСЕКУНДНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ СВЕРХИНТЕНСИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ В.В.С

Пространственные и временные масштабы, характерные для различных микроскопических объектов

Области длин волн и длительностей импульса, покрываемые различными источниками когерентного электромагнитного излучения. Пунктирная кривая – предельно-короткий импульс (длительность импульса равна периоду поля). Видно, что в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазоне приблизиться к этому переделу позволяют источники, основанные на генерации гармоник высокого порядка.

F~sin(ωt)
x~sin(ωt)
F~sin(ωt)
x~sin(ωt)+α2sin(2ωt)+ α3sin(3ωt)+…
пока F< гармоник
когда F~Fсвяз возможна генерация ВЫСОКИХ гармоник
В оптике Fсвяз= Fатомн~e2/r2Bohr
Удвоение частоты света в кристалле ниобата натрия Ba2NaNb5O5. Зелёный цвет — натуральный цвет излучения второй гармоники; невидимое глазом инфракрасное излучение неодимового лазера регистрируется на специально сенсибилизированной цветной пленке как красное.

CPA
mode-locking
Q-switching
1010
1015
1020
1025
1030
focused intensity W/cm2
1960
1970
1980
1990
2000
2010
atom Coulomb field I ≈ 3×1016 W/cm2
relativistic electrons I ≈ 2,73×1018 W/cm2
relativistic protons I ≈ 1022 W/cm2
Quantum electrodynamics I ~ 1026 W/cm2
atoms and molecules
gas target underdense plasma
solid target owerdense plasma
vacuum
attophysics
generation of THz radiation
intra-atomic physics
electron acceleration
proton acceleration
attosecond pulse generation
protongraphy
hadron therapy, isotope prodaction
ICF
Line acc.
gamma radiation
QED experiments
Прогресс в повышении пиковой интенсивности лазерных источников

План:
Генерация высоких гармоник при взаимодействии интенсивного лазерного излучения с газами. Современные достижения в области получения аттосекундных импульсов.
Резонансная генерация высоких гармоник: путь повышения эффективности генерации.
Генерация когерентного ультрафиолетового и рентгеновского излучения при взаимодействии сверхинтенсивного лазерного излучения с поверхностью

15
17
19
23
21
25
27
29
Experiment:
Ar,
Ti:Sapp laser
800 nm,
2 1014 W/cm2
газообразная мишень
лазерный импульс
интенсивность:
1014 – 1015 Вт/см2
длительность:
1 пс – 5 фс
параметр Келдыша: γ<1
гармоники
номера: до ~5000
длина волны: до 0.3 нм
эффективность преобразования:
менее 10-4
пондеромоторная энергия

Высокочастотная граница плато

J. Tate, T. Auguste, H.G. Muller, P. Salieres, P. Agostini, and L.F. DiMauro “Scaling of wave-packet dynamics in an intense midinfrared field”, PRL 98, 013901 (2007)
J. Tate, T. Auguste, H.G. Muller, P. Salieres, P. Agostini, and L.F. DiMauro “Scaling of wave-packet dynamics in an intense midinfrared field”, PRL 98, 013901 (2007)
Up ∝ I λ2

E
~ 100 ас
порядок
гармоники
T/2
Интенсивность
время
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35
плато
2ω
Интенсивность
1. ИОНИЗАЦИЯ
2. ДВИЖЕНИЕ
ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПОЛЯ
3. ГЕНЕРАЦИЯ КОРОТКОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Кучиев М. Ю., Письма в ЖЭТФ, 1987
P.Corkum, PRL, 1993

E
T/2
Интенсивность
время
порядок
гармоники
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35
плато
Интенсивность

Трехступенчатый механизм
P.B. Corkum “Plasma perspective on strong-field multiphoton ionization”, PRL 71, 1994 (1993)

shorter path
longer path
t

Вейвлет-преобразование сигнала гармоник, рассчитанного численно. Сплошной кривой представлена зависимость , полученная из анализа классических траекторий электрона.
Временной профиль сигнала гармоник в частотном окне от 171-й до 191-й гармоники
квантовомеханические теории:
М.Levenstein et. al., 1994
W.Becker et. al., 1994
В.Т.Платоненко, 2000
V.Strelkov, 2006

Экспериментальные результаты по измерению длительности аттосекундного импульса.
Длительность импульса 170 ас, что составляет лишь 1.2 периода несущей частоты (ультрафиолетового излучения)
R. Lopez-Martens, PRL, 2005

годы
Agostini
Charalambidis
Krausz
Прогресс в уменьшении длительности электромагнитных импульсов
80 as
генерация высоких гармоник:

Зависимость от эллиптичности лазерного излучения
E
линейная поляризация
эллиптическая поляризация

WAYS OF A SINGLE ATTOPULSE GENERATION:
Very short (less than 5fs) fundamental pulse
Hentschel et. al.: Nature 414, 509 (2001)
“AMPLITUDE GATING”

WAYS OF A SINGLE ATTOPULSE GENERATION:
Very short (less than 5fs) fundamental pulse
Hentschel et. al.: Nature 414, 509 (2001)
Ellipticity-modulated fundamental pulse
Corkum, et. al.: Optics Letters 19, 1870 (1994)
Platonenko, Strelkov: JOSA. B 16, 435 (1999)
Sola, et. al., Nature Physics, 2, 281(2006)
“AMPLITUDE GATING”
“ELLIPTICITY GATING”
e-
Интенсивность
время

E(t)=F(t)cos(ωt+ϕ)
ϕ=π/2
ϕ=0
Carrier-
Envelope
Phase
ELLIPTICITY GATING
Field with time-varying ellipticity: Platonenko, Strelkov JOSA B (1999)
– threshold ellipticity
Strelkov V., et. al. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. (2005)

theory: V. Strelkov, PRA, 2006
experiment+simulation:
Sola, et. al., Nature Physics, 2, 281(2006)
Sansone G, et. al., Science 314 443 (2006)
Experiment
time [fs]
Simulation
ELLIPTICITY GATING
Ar, 5fs pulse, 2.2 1014 W/cm2

План:
Генерация высоких гармоник при взаимодействии интенсивного лазерного излучения с газами. Современные достижения в области получения аттосекундных импульсов.
Резонансная генерация высоких гармоник: путь повышения эффективности генерации.
Генерация когерентного ультрафиолетового и рентгеновского излучения при взаимодействии сверхинтенсивного лазерного излучения с поверхностью

In
In+
harmonics
1017 –1018 cm-3 ionization degree ~1
main laser pulse 1015 W/cm2
Resonant HHG: review of experiments

R. A. Ganeev, Physics-Uspekhi, 52, 55 (2009).
R. A. Ganeev, L. B. Elouga Bom, J.-C. Kieffer, and T. Ozaki, Phys Rev A 75, 063806 (2007).
R. A. Ganeev, M. Suzuki, M. Baba, H. Kuroda, T. Ozaki, Opt. Lett., 31, 1699 (2006).
…
efficiency 10-4
strong ellipticity dependence
Resonant HHG: review of experiments

Kr, Xe
Theoretical prediction: Frolov, Manakov, et. al., PRA 2010
Experiment A. D. Shiner, B. E. Schmidt, C. Trallero-Herrero, H. J. Wörner, S. Patchkovskii, P. B.Corkum, J-C. Kieffer, F. Légaré and D. M. Villeneuve, Nature Phys., March 6, 2011

I
2
1
3*
I
3*
4
3
2
1
V. Strelkov, PRL, 2010
Resonant HHG model

Resonant harmonic enhancement: comparison of the experimental, numerical and analytical results

План:
Генерация высоких гармоник при взаимодействии интенсивного лазерного излучения с газами. Современные достижения в области получения аттосекундных импульсов.
Резонансная генерация высоких гармоник: путь повышения эффективности генерации.
Генерация когерентного ультрафиолетового и рентгеновского излучения при взаимодействии сверхинтенсивного лазерного излучения с поверхностью

D. von der Linde,1995

S. V. Bulanov, 1994
von der Linde , 1996
модель осциллирующего зеркала

Tsakiris, 2006
модель осциллирующего зеркала

Благодарности:
В.Т. Платоненко, физический ф-т МГУ
E.Constant, E.Mevel, CELIA, Bordeaux, France
М.Ю.Рябикин, А.А. Гоносков , ИПФ РАН, Нижний Новгород