[論文レビュー] Phase-matching mechanism for high-harmonic generation in the overdriven regime driven by few-cycle laser pulses

Johannes Schötz, Benjamin Förg+12 more|Figshare|Dec 17, 2019

Laser-Matter Interactions and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、過駆動状態における数サイクルレーザーパルスを用いてアルゴンで80 eVのisolated attosecond pulse (IAP)を生成可能にするメカニズムとして、イオン化誘発の一時的位相一致を特定した。このメカニズムは、プラズマ誘発のパルス形状変更（ブルー・シフトと強度の減衰）に起因し、高密度プラズマ下でもXUVカットオフ付近での位相一致を可能にする。実験とシミュレーションを通じて、さまざまな気体と波長でその有効性が検証された。

ABSTRACT

Isolated attosecond pulses (IAPs) produced through laser-driven high-harmonic generation (HHG) hold promise for unprecedented insight into biological processes via attosecond x-ray diffraction with tabletop sources. However, efficient scaling of HHG towards x-ray energies has been hampered by ionization-induced plasma generation impeding the coherent buildup of high-harmonic radiation. Recently, it has been shown that these limitations can be overcome in the so-called 'overdriven regime' where ionization loss and plasma dispersion strongly modify the driving laser pulse over small distances, albeit without demonstrating IAPs. Here, we report on experiments comparing the generation of IAPs in argon and neon at 80 eV via attosecond streaking measurements. Contrasting our experimental results with numerical simulations, we conclude that IAPs in argon are generated through ionization-induced transient phase-matching gating effective over distances on the order of 100 $μ$m. We show that the decay of the intensity and blue-shift due to plasma defocussing are crucial for allowing phase-matching close to the XUV cutoff at high plasma densities. We perform simulations for different gases and wavelengths and show that the mechanism is important for the phase-matching of long-wavelength, tightly-focused laser beams in high-pressure gas targets, which are currently being employed for scaling isolated attosecond pulse generation to x-ray photon energies.

研究の動機と目的

• 数サイクルレーザーパルスを用いた過駆動状態におけるisolated attosecond pulse (IAP)生成を可能にする位相一致メカニズムの理解を目的とする。
• 高光子エネルギーでの効率的high-harmonic generation (HHG) を阻害するプラズマ誘発パルス歪みとイオン化損失の課題を解消することを目的とする。
• 高圧・高強度焦点化条件下におけるプラズマの焦点ずれと強度減衰が、XUVカットオフ付近での位相一致をどのように可能にするかを特定することを目的とする。
• 長波長・高強度レーザーを用いたX線光子エネルギーへのHHGスケーリングにおいて、一時的位相一致がいかに重要であるかを示すこと。
• パルス伝搬、プラズマダイナミクス、XUV源項生成を正確にモデル化するためのシミュレーションフレームワークを提供すること。

提案手法

• パラキシアル近似を用いたHelmholtz方程式のシミュレーションによりHHGプロセスをモデル化し、非線形分極を源項として組み込む。
• XUV源項は、中心周波数80 eV、FWHM 6.4 eVのガウス型スペクトルの逆フーリエ変換により計算される。
• レーザーパルスのガスターゲットを通過させるプロセスは、距離と光学素子（アイリス、フィルター、ミラー）を定義したビームラインモデルでシミュレートされる。
• 高圧・短時間ガスセルにおける実際の密度勾配を再現するため、ガスターゲットはローレンツ型圧力プロファイルでモデル化される。
• 共動座標系で系を解き、群速度、波数ベクトル、屈折率の分散を考慮する。
• 位相一致は、強度減衰、スペクトルブルー・シフト、ビーム収束の追跡を通じて分析され、特に焦点の手前に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高イオン化と高プラズマ密度下でも、プラズマ誘発パルス形状変更が過駆動状態における位相一致をどのように可能にするのか？
• RQ2 強度減衰とスペクトルブルー・シフトが、高圧ガスにおけるXUVカットオフ付近での位相一致の維持に果たす役割は何か？
• RQ3 強い焦点化と高圧条件下で、ガスターゲットを焦点の手前に配置することがXUVフラックスの最大化にどのように有利に働くのか？
• RQ4 長波長ドライバーを用いた場合、一時的位相一致は、数サイクルHHGにおける従来の位相一致とどのように異なるのか？
• RQ5 この位相一致メカニズムは、さまざまな気体とレーザー波長において、high-harmonic generationに一般化可能か？

主な発見

• イオン化誘発の一次的位相一致により、アルゴンで80 eVのisolated attosecond pulse生成が可能となり、このメカニズムは約100 µmの距離で有効に機能する。
• プラズマの焦点ずれと強度減衰が、XUVカットオフ付近の高プラズマ密度下での位相一致の維持に不可欠である。
• ガスターゲットを焦点の手前に配置することで、ビーム収束とプラズマの焦点ずれのバランスが取れ、顕著に高いXUVフラックスが得られる。
• シミュレーションにより、長波長・高強度焦点化レーザービームが高圧ガスターゲットで用いられる場合、この位相一致メカニズムが頑健であることが示された。
• このメカニズムは、X線光子エネルギーへのisolated attosecond pulse生成のスケーリングに不可欠であり、特にウォーターウィンドウ領域において重要である。
• アルゴンにおけるピーク強度は4.8 × 10¹⁴ W/cm²に達し、強いプラズマ誘発パルス歪みにもかかわらず、位相一致が維持されている。