Генерация аттосекундных импульсов

Генерация аттосекундных импульсов — это ключевой элемент современной фемтофизики, открывающий доступ к изучению динамики электронов в атомах, молекулах и конденсированных средах на естественном временном масштабе. Аттосекундный импульс соответствует времени порядка 10−18 секунды, что позволяет наблюдать процессы, происходящие быстрее колебаний электронной волны и взаимодействий внутри атомного ядра.

Процессы генерации аттосекундных импульсов базируются на нелинейных оптических явлениях, в которых интенсивное лазерное поле взаимодействует с атомами или молекулами, вызывая высшие гармоники частоты (High Harmonic Generation, HHG).

Механизм высоких гармоник

Высокие гармоники возникают в результате сильного нелинейного взаимодействия между интенсивным лазерным полем и электронами в атоме. Процесс можно описать тремя ключевыми стадиями:

  1. Ионизация: под действием сильного лазерного поля электрон покидает атом, преодолевая потенциальный барьер (туннельная ионизация).
  2. Ускорение в поле лазера: освободившийся электрон движется в направленном электрическом поле лазера, приобретая кинетическую энергию.
  3. Рекомбинация: при изменении направления поля электрон возвращается к ядру, испуская фотон с энергией, равной сумме кинетической энергии электрона и ионизационного потенциала атома.

Эта рекомбинация приводит к образованию спектра, содержащего кратные частоты исходного лазера — гармоники высокого порядка. Они формируют основу для синтеза аттосекундных импульсов.

Формирование аттосекундных импульсов

Гармонический спектр, порожденный процессом HHG, содержит множество частот, которые можно фазово согласовать для формирования крайне короткого временного импульса.

Ключевые моменты формирования:

  • Фазовое согласование (phase matching): для эффективного суммирования гармоник необходимо обеспечить синфазность волн на макроскопическом уровне, что зависит от плотности среды, длины взаимодействия и интенсивности лазера.
  • Отбор гармоник: в спектре HHG отдельные гармоники могут быть выбраны фильтрами или зеркалами, чтобы создать импульс с минимальной длительностью.
  • Синтез аттосекундного импульса: при интерференции последовательности гармоник образуется импульс длительностью порядка десятков–сотен аттосекунд.

Типичная длительность аттосекундного импульса составляет 50–200 аттосекунд, что позволяет наблюдать динамику электронов в атомных и молекулярных системах.

Методы увеличения интенсивности и сокращения длительности

Для повышения интенсивности и уменьшения длительности аттосекундных импульсов применяются несколько подходов:

  1. Использование длинноволнового лазера: переход на инфракрасные или ближние ИК-лазеры увеличивает энергию возвращающихся электронов и расширяет спектр гармоник, что позволяет получить более короткие импульсы.
  2. Двойные и многокомпонентные лазерные поля: комбинация лазерных полей с различной частотой и фазой позволяет контролировать момент выхода и рекомбинации электрона, улучшая форму аттосекундного импульса.
  3. Оптические фильтры и зеркала: точное управление спектром и фазой гармоник позволяет минимизировать длительность импульса и увеличить пик интенсивности.

Применение аттосекундных импульсов

Аттосекундные импульсы открыли новые возможности в исследовании ультрабыстрой динамики электронов:

  • Фотоэлектронная спектроскопия с аттосекундной разрешающей способностью: позволяет наблюдать момент высвобождения электронов из атома или молекулы.
  • Временное разрешение химических реакций: исследование перераспределения электронной плотности в молекулах во время химических процессов.
  • Контроль квантовых состояний: возможность манипулировать электронными состояниями в атомах и молекулах на аттосекундном масштабе.

Технические аспекты экспериментов

Для генерации и измерения аттосекундных импульсов требуется сложная экспериментальная аппаратура:

  • Интенсивные фемтосекундные лазеры: основа процесса HHG, обеспечивающие поле порядка 1014 − 1015 В/м.
  • Газовые мишени: инертные газы, такие как аргон, неон или гелий, используются для генерации гармоник.
  • Оптические элементы для синтеза и управления импульсами: зеркала с наноструктурированными покрытиями, фильтры и фазовые компенсаторы.
  • Методы измерения длительности импульса: автокорреляция в аттосекундном диапазоне (attosecond streak camera, RABBITT) позволяет определять длительность и фазовую структуру импульса.
Оглавление