Генерация эллиптически поляризованных гармоник высокого порядка

Генерация гармоник высокого порядка (ГГВП) — это нелинейно-оптический эффект преобразования энергии субпикосекундных когерентных лазерных импульсов видимого или ИК диапазона в широкий спектр отклика среды (ансамбля атомов или молекул, плазмы и т. д.), имеющий вид последовательности гармоник лежащих в области от терагерцового до рентгеновского излучения.

Спектр гармоник высокого порядка обладает рядом особенностей, его условно можно разделить на 3 части: область, когда интенсивность гармоник обратно пропорциональна их номеру (область I), область, где интенсивность гармоник практически не зависит от номера (область плато, область II) и частота отсечки — как граница области плато (см. рис. 1), — после которой эффективность генерации гармоник резко падает.

Рис. 1 Типичный вид фотоэмиссионного спектра отклика атома

Суть явления состоит в том, что внешнее лазерное поле заставляет атомный электрон двигаться во внутриатомной поле, создаваемом ядром и ионным остатком, поскольку внутриатомное поле не является гармоническим, то сила, действующая на электрон, зависит от расстояния между электроном и ядром. Следовательно, спектр отклика атома, взаимодействующего с внешним монохроматическим электромагнитным полем, никогда не будет совпадать со спектром падающего поля. Только в слабых лазерных полях (с напряженностью много меньшей внутриатомной) максимум интенсивности спектра отклика совпадает с частотой падающего излучения, и он возрастает в условиях резонанса, т. е. совпадения частоты падающего поля с частотой атомного резонанса. С ростом напряженности лазерного поля внутриатомные резонансы практически пропадают, поскольку теперь движение электрона определяется не внутриатомным полем, а суперпозицией внутриатомного и лазерного поля. Поля сверхатомной напряженности реализуются лишь для фемтосекундных лазерных импульсов, поэтому говорить о резонансном взаимодействии не приходится, поскольку ширина резонанса становится близка к несущей частоте.

В настоящее время существует несколько направлений в исследованиях явления ГГВП. В первую очередь, значительная часть исследователей пытается разработать методы увеличения интенсивности гармоник, лежащих в рентгеновской области. Следующим важным направлением исследований является развитие методов повышения частоты отсечки, с целью достижения диапазона, так называемого окна прозрачности воды. Практически важным является использование явления ГГВП для развития новых методов УФ и рентгеновской спектроскопии. Действительно, возможность генерации аттосекундных рентгеновских импульсов дает уникальную возможность изучения временной динамики процессов, происходящих в атомах и молекулах. Возможности метода значительно расширяются, если имеется возможность управления состоянием поляризации зондирующего импульса.

Однако многолетние исследования показали, что с ростом степени эллиптичности одночастотных лазерных импульсов интенсивность гармоник существенно падает, а для циркулярной поляризации падающего лазерного импульса плато гармоник практически отсутствует.

Недавно появилось сразу два метода получения высоких эллиптически поляризованных гармоник. Первая схема основана на использовании двух эллиптически поляризованных лазерных пучков, вторая схема, более простая, использует два линейно поляризованных излучения на основной и удвоенной частоте лазерного поля. Преимущества последней схемы состоят в экспериментальной простоте, поскольку такая конфигурация поля получается, например, при внесении ВВО кристалла (кристалла-преобразователя, генерирующего вторую гармонику) в падающий лазерный пучок. Именно эта схема использовалась в работе, выполненной группой ученых из Лаборатории прикладной оптики и Университета Сорбонны (Франция), института Поля Шеррера и Политехнического федерального института г. Лозанны (Швейцария), университета г. Лиссабон (Португалия) и физического факультета МГУ. В работе исследовалось не только характеристики генерируемого излучения (эффективность, эллиптичность, угол поляризации), но и продемонстрирован потенциал применимости метода для практических приложений в области исследования поляризационно чувствительных эффектов. Так, в работе было исследовано явление рентгеновского магнитного циркулярного дихроизма на краю М2,3 поглощения никеля, которые обычно исследуются на мегаустановках синхротронного излучения. Результаты работы открывают возможность исследования сверхбыстрой магнитной динамики индивидуальных компонентов в сложных материалах при использовании компактных «table-top» установок, доступных университетским лабораториям.

Результаты этой работы были опубликованы в статье: G. Lambert, B. Vodungbo, J. Gautier, B. Mahieu, V. Malka, S. Sebban, P. Zeitoun, J. Luning, J. Perron, A. Andreev, S. Stremoukhov, F. Ardana-Lamas, A. Dax, C. P. Hauri, A. Sardinha, M. Fajardo, Towards enabling femtosecond helicity-dependant spectroscopy with high-harmonic sources. Nature Communications, 6:6167 (2015), doi: 10.1038/ncomms7167

Доцент С. Ю. Стремоухов, кафедра Оптики, спектроскопии и физики наносистем;

профессор А. В. Андреев, кафедра Общей физики и волновых процессов

Назад