[论文解读] 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 4

一句话总结

本文识别出在过驱动 regime 下，使用少周期激光脉冲在 80 eV 波段实现氩气中孤立阿秒脉冲（IAP）生成的机理为电离诱导的瞬态相位匹配。该机理由离子激增引起的脉冲重塑——蓝移与强度衰减——所引发，即使在高密度离子体中也能在 XUV 截止附近实现相位匹配，该机制通过在不同气体和波长下的实验与模拟得到验证。

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.

研究动机与目标

• 理解在使用少周期激光脉冲的过驱动 regime 下，实现孤立阿秒脉冲（IAP）生成的相位匹配机理。
• 解决因离子化和等离子体引起的脉冲畸变与能量损失，这些因素阻碍在高光子能量下实现高效高次谐波生成（HHG）。
• 阐明在高压、强聚焦条件下，等离子体聚焦效应与强度衰减如何在 XUV 截止附近实现相位匹配。
• 证明瞬态相位匹配对于利用长波长、高强激光将 HHG 扩展至 X 射线光子能量至关重要。
• 提供一个模拟框架，用于建模脉冲传播、等离子体动力学以及 XUV 源项生成，以准确预测 HHG 效率。

提出的方法

• 通过亥姆霍兹方程的傍轴近似模拟 HHG 过程，将非线性极化作为源项引入。
• 通过以 80 eV 为中心、半高全宽（FWHM）为 6.4 eV 的高斯调制光谱的反傅里叶变换计算 XUV 源项。
• 使用包含特定距离和光学元件（光阑、滤波片、反射镜）的光路模型，模拟激光脉冲在气体靶中的传播。
• 采用洛伦兹型压力分布建模气体靶，以模拟高压、短脉冲气体腔中的真实密度梯度。
• 在随动参考系中求解系统，考虑群速度、波矢量和折射率色散的影响。
• 通过追踪强度衰减、光谱蓝移和光束会聚情况，分析相位匹配，特别是在焦点前方区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高电离和高密度等离子体条件下，为何等离子体诱导的脉冲重塑仍能在过驱动 regime 下实现相位匹配？
• RQ2 强度衰减与光谱蓝移在高压气体中维持 XUV 截止附近的相位匹配中起到何种作用？
• RQ3 为何在强聚焦与高压条件下，将气体靶置于焦点前方能显著提升 XUV 辐射通量？
• RQ4 与传统相位匹配相比，瞬态相位匹配在长波长驱动源的少周期 HHG 中有何不同？
• RQ5 该相位匹配机理在不同气体和激光波长下的高次谐波生成中，其普适性如何？

主要发现

• 电离诱导的瞬态相位匹配使在 80 eV 波段实现氩气中孤立阿秒脉冲生成成为可能，该机理在约 100 µm 的传播距离内有效。
• 等离子体发散与强度衰减在高密度等离子体中维持 XUV 截止附近的相位匹配至关重要。
• 将气体靶置于焦点前方可平衡光束会聚与等离子体发散效应，从而显著提升 XUV 辐射通量。
• 模拟结果表明，该相位匹配机制对长波长、强聚焦激光束在高压气体靶中具有鲁棒性。
• 该机理对于将孤立阿秒脉冲生成扩展至 X 射线光子能量（特别是水窗区域）至关重要。
• 氩气中峰值强度达 4.8 × 10¹⁴ W/cm²，尽管存在强烈的等离子体诱导脉冲畸变，相位匹配仍能维持。