Генерация высоких гармоник

Генерация высоких гармоник (ГВГ) представляет собой нелинейный оптический процесс, при котором взаимодействие интенсивного лазерного поля с материалом приводит к образованию электромагнитного излучения на частотах, кратных частоте исходного лазерного излучения. Обычно это происходит в газовых средах, но возможно и в твердых телах или плазме. Ключевым условием является достижение интенсивности, при которой нелинейная поляризация среды становится сопоставимой с линейной.

Важнейшей особенностью процесса является сильная нелинейность: при низких интенсивностях наблюдаются только первые гармоники, но при росте интенсивности спектр излучения расширяется, образуя так называемый “плато” высоких гармоник и резкое падение на уровне так называемого “клиффа” (cutoff).

Физическая модель

Наиболее популярная модель объяснения ГВГ — трёхступенчатая модель полевой ионизации:

  1. Ионизация: Электрон покидает атом или молекулу под действием сильного лазерного поля (туннельная ионизация). Вероятность ионизации описывается моделью АДК (Ammosov–Delone–Krainov).
  2. Ускорение в поле лазера: Электрон, оказавшись в свободном состоянии, ускоряется переменным электрическим полем лазера.
  3. Рекомбинация и излучение: Электрон возвращается к ионизированному ядру, излучая фотон с энергией, равной сумме кинетической энергии электрона и энергии ионизации.

Эта модель объясняет характерный спектр: быстро убывающий низкочастотный диапазон, плато с почти одинаковой интенсивностью и резкое падение на высоких частотах.

Спектральные характеристики

Спектр высоких гармоник имеет несколько характерных особенностей:

  • Плато: Длительная часть спектра, где интенсивность гармоник практически не убывает, несмотря на рост порядка гармоники.
  • Клифф (cutoff): Наивысшая энергия гармоники определяется формулой Ecutoff = Ip + 3.17Up, где Ip — энергия ионизации, Up — поправка по усреднённой кинетической энергии электрона в поле лазера (ponderomotive energy).
  • Чётность гармоник: В симметричных средах обычно образуются только нечётные гармоники.
  • Когерентность: Высокая когерентность спектра позволяет использовать генерацию высоких гармоник для получения фемтосекундных и аттосекундных импульсов.

Среды и условия генерации

  1. Газовые среды: Наиболее распространены благородные газы (аргон, неон, ксенон), поскольку у них высокая энергия ионизации и малое взаимодействие с лазерным полем.
  2. Твердые среды: Используются для повышения эффективности генерации при сравнительно меньших интенсивностях. Сложность заключается в рассеянии и повреждении кристаллов.
  3. Плазма: Позволяет достичь высоких интенсивностей без разрушения среды, но усложняет фазовую синхронизацию.

Ключевой параметр: фазовая синхронизация (phase matching), определяющая эффективность переноса энергии от лазерного поля к гармоникам. Без соблюдения фазового совпадения интенсивность высоких гармоник резко падает.

Технологические аспекты

  • Лазеры с высокой интенсивностью: Обычно используются тераваттные и пета­ваттные системы с фемтосекундной длительностью импульса.
  • Оптика и фокусировка: Фокусировка лазерного пучка в газовую струю или капсулу обеспечивает достижение необходимых плотностей интенсивности.
  • Контроль газа и давления: Давление газа оптимизируется для достижения максимальной эффективности фазового совпадения.

Применения

  1. Аттосекундная спектроскопия: Позволяет исследовать динамику электронов в атомах и молекулах с временным разрешением порядка 10⁻¹⁸ с.
  2. Сверхкороткие рентгеновские импульсы: Генерация гармоник высокой энергии используется для создания когерентного рентгеновского излучения без синхротрона.
  3. Нелинейная микроскопия: Высокие гармоники применяются для визуализации биологических образцов с нанометровым разрешением.
  4. Квантовые технологии: Возможна генерация одноквантовых состояний света и управление фотонными состояниями на ультракоротких временных шкалах.

Современные исследования и перспективы

Основные направления исследований включают:

  • Увеличение эффективности генерации: Оптимизация формы импульса и плотности газа, использование кристаллов с нелинейными свойствами.
  • Расширение спектра: Переход к мягкому рентгеновскому диапазону и создание гармоник с энергией > keV.
  • Контроль временной структуры: Формирование аттосекундных пульсов с заданной фазой и амплитудой.
  • Теоретическое моделирование: Компьютерное моделирование динамики электронов в сильных полях и разработка новых моделей, учитывающих многоплазменные эффекты.

Эти исследования открывают новые возможности для экспериментальной физики, химии и биофизики на ультракоротких временных масштабах, делая генерацию высоких гармоник ключевым инструментом современной фемтофизики.

Оглавление