Контроль фазы и амплитуды генерируемых импульсов

Аттосекундная физика требует чрезвычайно точного управления характеристиками излучения. При генерации аттосекундных импульсов (АИ), особенно в процессе высокоэффективной гармонической генерации (HHG), возникает задача контроля не только амплитуды, но и фазы спектральных компонент. Даже минимальные изменения фазы могут существенно влиять на длительность и форму результирующего импульса, что делает данный аспект центральным в современной ультрабыстрой оптике.

Спектральная амплитуда и её роль

Амплитуда спектра напрямую определяет интенсивность различных гармонических компонент. Если набор гармоник обладает правильной амплитудной огибающей, их когерентная суперпозиция формирует короткий импульс с высокой пиковой мощностью.

  • Амплитудная селекция: фильтрация определённых гармоник позволяет выделить диапазон, наиболее эффективный для формирования изолированного аттосекундного импульса.
  • Распределение интенсивностей: различие в амплитудах гармоник может привести к формированию модулированного импульса, что ограничивает временное разрешение эксперимента.
  • Регулировка амплитуды достигается через подбор параметров накачивающего лазера (энергия, фокусировка, спектральное распределение) и использование оптических фильтров, дисперсионных сред или многослойных зеркал.

Фазовый контроль и его критическая важность

Фаза каждой гармоники должна быть стабилизирована, иначе их сумма даст не аттосекундный импульс, а «пачку» фемтосекундных осцилляций.

  • Фазовый сдвиг между соседними гармониками определяет временную структуру импульса. Для формирования изолированного аттосекундного пакета необходимо обеспечить линейную зависимость фазы от частоты (трансформ-ограниченное состояние).
  • Хроматическая дисперсия в среде распространения приводит к искажению фазового профиля и увеличению длительности импульса. Это требует введения компенсирующих элементов (зеркала с управляемой дисперсией, фазовые пластины).
  • Квантовая траектория электрона в трёхшаговой модели HHG накладывает собственные фазовые характеристики. Различные траектории («короткая» и «длинная») дают разные зависимости фазы от интенсивности поля, что создаёт необходимость пространственно-спектрального отбора.

Методы управления фазой

  1. Оптические элементы с контролируемой дисперсией

    • Многослойные диэлектрические зеркала позволяют компенсировать фазовые искажения.
    • Адаптивные зеркала с изменяемым профилем обеспечивают динамическую коррекцию.

  2. Среды с управляемой нелинейностью

    • Подбор газа-мишени (ксенон, аргон, неон) меняет фазовую скорость гармоник.
    • Давление газа регулирует фазовое согласование и величину нелинейного фазового сдвига.

  3. Стабилизация фазы несущей (Carrier-Envelope Phase, CEP)

    • Непосредственное управление относительным сдвигом между огибающей импульса и его несущей частотой критично для изолированных аттосекундных импульсов.
    • Технологии стабилизации CEP включают использование f–2f интерферометрии и активную обратную связь.

  4. Интерферометрические методы

    • Использование двухцветного поля (например, комбинации основного лазерного излучения и второй гармоники) позволяет управлять моментом и фазой ионизации электрона, изменяя спектральную фазу генерируемых гармоник.

Управление формой аттосекундного импульса

Форма импульса является результатом совместного контроля амплитуды и фазы. Тонкая настройка позволяет переходить от многоимпульсного аттосекундного гребня к одиночному импульсу:

  • Импульсный гребень формируется без фазовой стабилизации, когда соседние гармоники обладают разной фазой.
  • Изолированный аттосекундный импульс требует как амплитудного отбора (узкий спектральный диапазон), так и фазовой компенсации.

Основным инструментом здесь выступает амплитудно-фазовая фильтрация, включающая комбинацию оптических фильтров, дисперсионных элементов и адаптивной оптики.

Экспериментальные методы диагностики фазы и амплитуды

  • RABITT (Reconstruction of Attosecond Beating By Interference of Two-photon Transitions) позволяет восстановить относительные фазы гармоник и контролировать временную структуру импульсов.
  • FROG-CRAB (Frequency-Resolved Optical Gating for Complete Reconstruction of Attosecond Bursts) обеспечивает полное восстановление амплитудно-фазового профиля.
  • SPIDER и его модификации применяются для точного измерения фазового распределения.

Эти методы являются неотъемлемой частью обратной связи, позволяющей корректировать систему генерации импульсов.

Оглавление