[新闻稿]一件微小的工作

超快圆偏振极紫外及X射线光源是研究手性分子和磁性材料等物质体系的有力工具,实现对此类光源的偏振控制有重要价值。近几年来,不同的光源产生领域,包括基于传统加速器的自由电子激光等大型装置,和基于气体原子分子高次谐波的小型装置,都相继实现了圆偏振光源的产生和控制。

在之前的工作中,我们提出了一条基于激光等离子体产生高亮度圆偏振超快光源的新路径(Z.-Y. Chen et al., Nat. Commun. 7, 12515 (2016)),有希望发展成为兼具小型化与高亮度的一类新型光源。它的产生机制是相对论强度激光驱动固体密度等离子体表面形成的相对论电子振荡镜产生高次谐波辐射,而高次谐波的产生图像可以理解为激光场被接近光速的镜面反射产生相对论多普勒频移。这是一个极端非线性光学过程,产生的谐波阶次可达成千上万阶,覆盖的频谱范围可从极紫外到硬X射线,取决于激光强度和等离子体密度等参数。同时,极宽的频谱范围在时域上对应着极短的脉冲,可达亚飞秒到阿秒量级。通常一个激光周期就可产生一次谐波辐射,对应着一个超短脉冲。因此,使用常见的长脉冲多周期激光,会产生一连串的超短阿秒脉冲,而对于超快探测应用来说,往往只需要使用一个脉冲。所以,如何控制相互作用过程,使得只产生一个阿秒脉冲,是相关研究的主要目标之一,有重要的意义。

对于激光正入射的情况,线偏振与圆偏振激光具有不同的有质动力形式,前者由于具有高频振荡项因而可以产生高次谐波,后者不具备因而无高次谐波产生。利用这个特点,可以设计产生一个激光脉冲,使得其各周期偏振态发生变化,比如从圆偏振变到线偏振再变回圆偏振,并且线偏振只持续一个周期(这可以通过使用两个晶体波片做到),这样就只有一个高次谐波和阿秒脉冲产生。这就是所谓的“偏振门”技术。而对于斜入射的情况,线偏振与圆偏振激光都能产生很强的高次谐波,这种偏振门控制单个脉冲产生的办法不再有效。因此,目前为止,本领域报道的所有的偏振门技术都是采用正入射或接近正入射的方案。

然而,我们在前述工作中提出的产生方案要求必须是斜入射。此外,斜入射下激光等离子体高次谐波的效率要比正入射时高许多。那么,在斜入射情况下有没有可能也实现偏振门选单技术呢?

最近,我们第一次对上面的问题给出了肯定的回答。与传统的圆偏振-线偏振-圆偏振激光偏振态构型不同,事实上刚好相反,我们提出了采用线偏振-圆偏振-线偏振的激光构型,技巧在于我们使用的线偏振不再是通常的p-线偏振,而是偏振方向相对于ps旋转了45度的部分ps的线偏振。我们通过数值模拟证实了,在这种情况下,高次谐波效率随着激光偏振度的增加而增加,圆偏振激光的高次谐波效率比线偏振激光高出两个量级以上。因此,这种新偏振态激光构型可以同时实现偏振门选单效果和圆偏振高次谐波产生(因为圆偏振部分的激光对应于高次谐波的产生时刻)。我们的模拟结果展示了30飞秒激光驱动下,单个阿秒软X射线脉冲的产生,偏振度接近圆偏振,脉冲强度可达10^19W/cm^2,如果增强激光强度,超短脉冲的频段和强度都可进一步提高。这个研究结果对于激光等离子体高亮度圆偏振超短脉冲的发展具有参考价值。

以上成果已在线发表在美国光学学会的《光学快讯》期刊上(Z.-Y. Chen et al., “Isolated elliptically polarized attosecond soft X-ray with high-brilliance using polarization gating of harmonics from relativistic plasmas at oblique incidence”, Optics Express 26 (4), 4572-4580 (2018)),本研究受到国家自然科学基金和中物院院长基金资助。

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