Измерение интенсивности и формы импульсов

Измерение параметров аттосекундных импульсов является ключевой задачей современной ультрабыстрой оптики. В отличие от фемтосекундных импульсов, где стандартные автокорреляционные методы и спектральная интерферометрия позволяют достаточно точно восстанавливать временной профиль, в аттосекундной физике требуется разработка новых экспериментальных стратегий, учитывающих экстремально короткие временные шкалы и взаимодействие с ионизированными средами.

Здесь основное внимание уделяется двум аспектам: интенсивности импульсов и форме (временной структуре) электрического поля, которые невозможно измерить непосредственно, а только через косвенные процессы взаимодействия света с веществом.

Методы измерения интенсивности аттосекундных импульсов

Фотоионизационные методы

Интенсивность аттосекундного импульса обычно определяется через вероятность ионизации атомов или молекул под действием рентгеновского излучения. Измеряя спектры фотоэлектронов, можно связать полученные данные с плотностью энергии излучения.

  • Прямая фотоионизация: фотон аттосекундного импульса выбивает электрон из атома; интенсивность определяется по числу ионизированных частиц.
  • Множественная ионизация: при достаточной энергии импульс способен ионизировать несколько электронов, что позволяет оценить нелинейные зависимости вероятности ионизации от интенсивности.

Метод поглощения в тонких мишенях

Используются газовые или конденсированные среды с известным сечением поглощения. Падение интенсивности при прохождении импульса через мишень фиксируется детекторами и по закону Бугера–Ламберта определяется исходная мощность импульса.

Относительные методы

В практических условиях часто применяются относительные измерения: интенсивность аттосекундного импульса определяется сравнением с известным эталонным источником, например, лазерным излучением в фемтосекундной области.

Определение временной формы импульсов

Автокорреляционные подходы

Классическая автокорреляция не применима напрямую к аттосекундным импульсам, так как не существует оптических элементов, способных обеспечить стабильное задерживание излучения на таких временных масштабах. Однако аналогичные принципы реализуются через нелинейные фотоэлектронные процессы.

Стрикинг-метод (Attosecond streaking)

Один из наиболее развитых методов. Аттосекундный импульс используется для ионизации электрона, после чего электрон испытывает действие сильного синхронизированного ИК-поля. Смещение спектра электронов позволяет восстановить временной профиль аттосекундного импульса.

Ключевые особенности:

  • временное разрешение определяется длительностью управляющего ИК-импульса;
  • метод позволяет получить как интенсивность, так и фазовую характеристику поля;
  • высокая чувствительность к флуктуациям относительной фазы между импульсами.

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

Метод основан на регистрации интерференции побочных пиков в спектре фотоэлектронов, возникающих при комбинированном воздействии аттосекундного импульсного поезда и слабого ИК-поля.

  • Позволяет восстановить относительные фазы соседних гармоник;
  • Используется для измерения хроматической дисперсии и временной структуры;
  • Хорошо подходит для анализа импульсных поездов, но менее эффективен для одиночных аттосекундных импульсов.

Фазовая характеристика и её связь с формой импульса

Форма аттосекундного импульса зависит не только от спектра, но и от фазовых сдвигов между спектральными компонентами. Даже при одинаковом спектре разная фазовая структура может давать существенно различающиеся временные профили.

Методы восстановления фазы:

  • Спектральная интерферометрия с использованием вспомогательных ИК-импульсов;
  • Методы томографии фотоэлектронных распределений;
  • Многоканальные корреляционные измерения, фиксирующие угловые распределения фотоэлектронов.

Практические ограничения измерений

  1. Шумовые факторы: низкая энергия аттосекундных импульсов ограничивает точность измерений.
  2. Фазовая нестабильность: малейшие флуктуации относительной фазы между ИК- и аттосекундным импульсом приводят к искажению реконструкции.
  3. Неоднородность среды: поглощение и рассеяние в мишенях создают дополнительные неопределенности в восстановлении интенсивности.
  4. Нелинейные эффекты: при высоких интенсивностях проявляется нелинейная ионизация, что усложняет интерпретацию результатов.

Перспективные направления развития

  • Комбинированные методы: объединение RABBIT и стрикинга позволяет улучшить временное разрешение и надёжность восстановления формы.
  • Использование двухцветных ИК-полей: управление фазой и поляризацией управляющего импульса расширяет возможности реконструкции.
  • Прямое измерение электрического поля: активно разрабатываются методы, позволяющие регистрировать поле импульса через взаимодействие с наноструктурами и поверхностными плазмонами.
  • Алгоритмы численной реконструкции: использование методов машинного обучения и фазовой ретривальной томографии позволяет повысить точность восстановления формы импульса при ограниченных данных.
Оглавление