Новые источники аттосекундных импульсов

Генерация аттосекундных импульсов основана на фундаментальных процессах нелинейной оптики и сильного взаимодействия света с материей. Основной принцип заключается в том, чтобы сжать длительность электромагнитного сигнала до масштаба аттосекунд (10⁻¹⁸ с) при сохранении достаточной интенсивности для наблюдения квантовых процессов. Ключевым элементом является высокочастотная нелинейная гармоническая генерация (HHG, High-Harmonic Generation), когда сильное лазерное поле индуцирует многократное поглощение фотонов атомами или молекулами, приводя к излучению гармоник исходного лазера с очень короткой длительностью импульса.

Ключевые моменты:

• Аттосекундный импульс формируется за счет когерентного суммирования нескольких гармоник.
• Длительность импульса обратно пропорциональна ширине спектра: чем шире спектр гармоник, тем короче импульс.
• Фаза каждой гармоники критически важна для формирования корректного временного профиля.

Источники аттосекундных импульсов

Современные подходы к созданию аттосекундных источников делятся на несколько категорий:

1. Гибридные лазерные системы

Гибридные системы используют комбинацию интенсивных фемтосекундных лазеров и оптических усилителей для создания пиковых интенсивностей, достаточных для нелинейной гармонической генерации.

Особенности:

• Используются титан-сапфировые лазеры с частотой повторения до кГц.
• Возможность управлять CEP (carrier-envelope phase), что критично для формирования единственного аттосекундного пика.
• Позволяют создавать импульсы с длительностью 100–200 аттосекунд.

2. Высокочастотная гармоническая генерация в газах

Наиболее распространенный способ получения аттосекундных импульсов. Газовая среда (аргон, неон, гелий) подвергается воздействию интенсивного лазерного поля.

Механизм:

1. Ионизация атома сильным лазерным полем.
2. Разгон свободного электрона в поле лазера.
3. Возвращение электрона к иону и излучение высокочастотного фотона.

Ключевые преимущества:

• Получение когерентного излучения в экстремальном ультрафиолетовом (XUV) диапазоне.
• Возможность управления длительностью и формой импульса через параметры лазера и газовой среды.

3. Аттосекундные рентгеновские источники

Для исследований внутренних электронных процессов требуется более короткая длина волны, чем доступна в XUV. Для этого применяются свободно-электронные лазеры (XFEL):

• Используют ускоренные электроны, проходящие через магнитные структуры (ангстрём-уровневые длины волн).
• Позволяют генерировать рентгеновские импульсы длительностью до нескольких десятков аттосекунд.
• Обеспечивают высокую яркость и когерентность излучения.

Контроль параметров аттосекундного импульса

Для эффективного использования аттосекундных импульсов важно управлять как временными, так и пространственными характеристиками:

1. CEP (carrier-envelope phase)

   • Определяет положение пика электрического поля относительно огибающей.
   • Критично для генерации одиночных аттосекундных импульсов.

2. Поляризация

   • Линейная поляризация позволяет использовать традиционную HHG,
   • Циркулярная и эллиптическая — для управления селективностью электронных процессов.

3. Спектральная фильтрация

   • Позволяет выбирать только определенный диапазон гармоник для формирования ультракороткого импульса.

4. Темпоральное сжатие

   • Используются многослойные зеркала, фазовые компенсаторы и другие методы для уменьшения длительности импульса после генерации.

Технические достижения и перспективы

Современные разработки позволили достичь:

• Импульсов с длительностью менее 50 аттосекунд.
• Возможности синхронизации нескольких аттосекундных источников для изучения коррелированных процессов.
• Управления фазой и поляризацией с точностью до десятков атаконов (10⁻¹⁸ с).

Перспективным направлением является комбинирование высокоинтенсивных лазеров и XFEL для создания аттосекундных рентгеновских импульсов высокой яркости, способных исследовать динамику электронных оболочек и химических связей с беспрецедентной временной точностью.