Техника RABBIT (Reconstruction of Attosecond Beating By Interference of Two-photon transitions)

Техника RABBIT (Reconstruction of Attosecond Beating By Interference of Two-photon transitions) представляет собой один из наиболее широко применяемых методов временной диагностики аттосекундных импульсов. Ее ключевая идея основана на регистрации интерференционной картины, возникающей в результате двухфотонных переходов, когда фотон экстремального ультрафиолетового (ЭУФ) диапазона и фотон инфракрасного (ИК) диапазона совместно участвуют в ионизации атома или молекулы.

При генерации аттосекундных импульсных поездов (attosecond pulse trains, APT), формируемых через высокочастотную генерацию гармоник (HHG), в спектре наблюдается набор нечетных гармоник от основного лазера. При наложении слабого вспомогательного ИК-поля, когерентного с этими гармониками, в спектре ионизированных электронов проявляются дополнительные боковые полосы (sidebands), расположенные между гармониками. Именно модуляция интенсивности этих боковых полос при изменении задержки между ЭУФ- и ИК-полем позволяет восстановить временные характеристики аттосекундного импульса.

Двухфотонные переходы и образование боковых полос

В основе метода лежит процесс двухфотонной ионизации:

  • электрон поглощает один фотон гармоники порядка (2q + 1)ω,
  • и одновременно либо поглощает, либо испускает один фотон ИК-поля частоты ω.

В результате электрону становится доступно два энергетических канала, которые интерферируют. Это приводит к формированию боковых полос на энергиях, равных четным гармоникам:

E = (2q)ℏω − Ip,

где Ip — потенциал ионизации атома.

Амплитуда этих боковых полос модулируется с задержкой τ между ЭУФ- и ИК-полем по закону:

ISB(τ) ∝ 1 + cos (2ωτ + ϕ),

где ϕ — фазовый сдвиг, связанный с относительной фазой гармоник.

Таким образом, наблюдаемое биение интенсивности боковых полос содержит информацию о фазовых характеристиках аттосекундных импульсов.

Извлечение временной информации

Метод RABBIT позволяет восстановить как длительность импульса, так и фазовые сдвиги, ответственные за временную структуру аттосекундного поезда.

  1. Фазовая реконструкция Из анализа фаз боковых полос для различных гармоник можно определить групповую задержку между соседними гармониками. Это дает возможность восстановить аттосекундный импульс в временной области.

  2. Групповая задержка (Group Delay, GD) Определяется как производная фазы гармоники по частоте. Она отражает хроматическую дисперсию импульсов и позволяет установить, является ли аттосекундный импульс близким к трансформ-ограниченному или растянутым.

  3. Информация о динамике ионизации Помимо характеристик самого импульса, метод позволяет получить данные о временных задержках, связанных с процессами ионизации электронов в различных атомах и молекулах.

Экспериментальная реализация

Реализация метода RABBIT включает несколько ключевых компонентов:

  • Источник аттосекундных импульсов: обычно используется генерация высоких гармоник в газовой среде.
  • Сопутствующее ИК-поле: слабое, когерентное с ЭУФ-импульсами, синхронизированное по фазе.
  • Многофотонный фотоэлектронный спектрометр: регистрирует энергетический спектр фотоэлектронов с высоким разрешением.
  • Система задержки: позволяет изменять относительное время прихода ЭУФ- и ИК-импульсов с аттосекундной точностью.

Наблюдаемая модуляция интенсивности боковых полос регистрируется в зависимости от задержки, а затем обрабатывается методами спектрального анализа (часто применяются преобразование Фурье и фазовая реконструкция).

Возможности и ограничения метода

Преимущества:

  • высокая чувствительность к фазовым сдвигам между гармониками,
  • возможность реконструкции аттосекундных поездов,
  • относительная простота эксперимента по сравнению с методами, требующими изолированных импульсов (например, FROG-CRAB).

Ограничения:

  • метод применим главным образом к поездам аттосекундных импульсов, а не к изолированным импульсам;
  • временное разрешение ограничено частотой основного лазера (модуляция происходит с периодом T/2, где T — период ИК-поля);
  • для корректной реконструкции необходима стабильная когерентность между ЭУФ- и ИК-излучением.

Применение метода RABBIT в современной аттосекундной физике

Метод стал стандартным инструментом в исследовании:

  • длительностей аттосекундных поездов (порядка 200–400 аттосекунд),
  • временных задержек в фотоэмиссии электронов из различных атомных оболочек,
  • многоэлектронных корреляционных эффектов,
  • ультрабыстрой динамики в молекулах, включая резонансные процессы.

Кроме того, RABBIT активно используется в сравнительных исследованиях и служит отправной точкой для более сложных методик, таких как streaking-измерения и спектроскопия на основе изолированных аттосекундных импульсов.

Оглавление