[新闻稿]又一件微小的工作

相对论强度激光与等离子体相互作用产生高次谐波是一个极端非线性光学过程,辐射的频谱覆盖从极紫外到X射线的宽广波段。谐波结构在频域上表现为基频整数倍的一系列频率梳;在滤掉基频及低频光后,谐波时域结构为一个阿秒脉冲串序列。目前对于高次谐波结构的调控主要集中在时域上,目的是产生单个阿秒脉冲,以进行超快时间分辨的阿秒探测,主要方法包括控制激光脉宽、波前和偏振等;而对于高次谐波频域结构的调控方法则比较少,报道的研究工作主要通过调制靶的结构形态,比如使用光栅靶,发现谐波的阶次和辐射方向性都具有一定的选择性。

在这里,我们考虑调制激光脉冲而不改变靶结构对高次谐波频谱进行调控的可能性。近来已有理论和实验结果表明,使用双色偏振平行的线偏振光,频率分别为基频及其二倍频,相对论等离子体高次谐波的效率可以得到极大提升。我们在这里也考虑双色光场,但不同的是,两束光均为圆偏振,且螺旋方向相反。值得注意的是,在正入射时,用单色圆偏振光并不能有效产生高次谐波,因为此时圆偏振光的有质动力缺少高频振荡项。而双色光的情况则不一样,因为这时的合成光场具有完全不同的图样,导致电子动力学也大不一样。事实上,在气体高次谐波领域,基频+二倍频反向螺旋双色圆偏振光场已被广泛研究,特别是最近引发了在实验上成功产生气体圆偏振高次谐波的重大进展。然而,在等离子体高次谐波领域还从来没有考虑过这样的光场;并不清楚用这样的光场在高次谐波产生中是否依然有效,这是因为气体和等离子体产生高次谐波的机制有根本的不同,这也意味着在气体高次谐波领域获得的结论认识并不能直接推广应用到等离子体高次谐波领域中。

在最近的工作中,我们首次将双色圆偏振光场引入到相对论等离子体高次谐波产生中。我们通过数值模拟证明了此时双色圆偏振光场依然有效;与气体高次谐波的情况类似,其频谱结构也满足一定的选择定则。这种基频+二倍频反向螺旋双色圆偏振光合成场具有三重对称性,产生的高次谐波谱中,3的整数倍阶次都消失,只出现3m+1和3m+2的阶次;且相邻的3m+1和3m+2阶次谐波是具有相反螺旋方向的圆偏振光,当两者强度不一样的时候,合成光场总体也呈现圆偏振态;此外,调节双色光之间的强度比,会极大地影响高次谐波的产生效率,可以达到和线偏振驱动激光的情形相当。我们分析了以上这些特性是由光场的对称性和相应的(能量、角动量、宇称)守恒定律所决定的。因此,这样一种光场可以实现等离子体高次谐波频谱调控,同时也是一种新的产生圆偏振高次谐波的方法。

以上研究结果已在线发表在近期的《物理评论E》上(Zi-Yu Chen, “Spectral control of high harmonics from relativistic plasmas using bicircular fields,” Physical Review E, 97, 043202 (2018)). 本研究工作受到国家自然科学基金和中物院院长基金资助。

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