[论文解读] Theory of Attosecond Pulses from Relativistic Surface Plasmas

D. an der Brügge, A. Pukhov|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2011

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 40被引用 9

一句话总结

本文提出了一套理论框架，通过相对论性超密度等离子体中的高次谐波产生，实现孤立亚阿托秒脉冲的生成，主要基于相对论性振荡镜（ROM）模型。研究识别出一种新区域，在该区域中形成超密集电子纳米束，产生平坦且缓慢衰减的谐波谱，从而实现场强超过驱动激光超过1000倍的巨大阿托秒脉冲。

ABSTRACT

High harmonic generation by relativistically intense laser pulses from overdense plasma layers is surveyed. High harmonics are generated in form of (sub-)attosecond pulses when the plasma surface rebounds towards the observer with relativistic velocity. Different cases are considered. The "relativistically oscillating mirror" (ROM) model, describing the most typical case, is analyzed in detail. The resulting harmonic spectrum is usually a power law with the exponent -8/3 [baeva2006relativistic], but possible exceptions due to "higher order γ-spikes" are considered. It is shown that under certain conditions, ultra-dense electron nanobunches can be formed at plasma surface that emit coherent synchrotron radiation. The resulting spectrum is much flatter and leads to the formation of a giant attosecond pulse in the reflected radiation. The harmonics radiation is also considered in time domain, where they form a train of attosecond pulses. It is characterized and a possibility to select a single attosecond pulse via polarization gating is described. Further, the line structure in relativistic harmonic spectra is analyzed. It is shown that the harmonics have an intrinsic chirp and it can be responsible for experimentally observed spectral modulations. Finally, high harmonic generation is considered in realistic three-dimensional geometry. It is shown that free space diffraction can act as a high pass filter, altering the spectrum and the reflected field structure. The high harmonics tend to be self-focused by the reflecting surface. This leads to a natural angular divergence as well as to field boost at the focal position. Coherently focusing the harmonics using an optimized geometry may result in a significantly higher field than the field of the driving laser.

研究动机与目标

• 理解强激光辐照下相对论性等离子体表面阿托秒脉冲生成的机制。
• 识别在等离子体表面形成超密集电子纳米束的条件，从而产生具有增强光谱平坦度的相干辐射。
• 分析衍射与三维几何结构在塑造谐波谱及实现高次谐波相干聚焦中的作用。
• 解释相对论性谐波谱中的光谱线调制现象，其源于本征频率 chirp 而非非相干噪声。
• 探索通过高次谐波的相干时空聚焦实现场强超过驱动激光的可能性。

提出的方法

• 采用相对论性振荡镜（ROM）模型，描述以相对论速度振荡的等离子体表面产生的谐波辐射。
• 应用渐近分析推导出与电子轨迹细节无关的通用谐波谱，重点关注 γ-尖峰及幂律衰减（指数为 -8/3）。
• 提出一种改进的电子纳米束形成模型，其产生更平坦的谱，幂律指数为 -6/5，从而实现巨大阿托秒脉冲。
• 利用洛伦兹变换建模一维平板几何中的斜入射激光，实现对相对论性等离子体动力学的解析处理。
• 通过复平面上的围道积分数值计算广义艾里函数，以评估谐波辐射谱。
• 分析三维衍射效应，表明自由空间衍射起到高通滤波器作用，同时实现高次谐波的自然自聚焦。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，相对论性等离子体表面会形成超密集电子纳米束，其对谐波辐射有何影响？
• RQ2 谐波谱如何随时间演化，能否通过偏振门控技术将其整形为单一孤立的阿托秒脉冲？
• RQ3 相对论性谐波谱中的光谱线调制由何引起，是否可归因于本征频率 chirp 而非非相干性？
• RQ4 衍射与三维几何结构如何影响真实激光-等离子体相互作用中高次谐波的光谱与空间特性？
• RQ5 通过高次谐波的相干聚焦能否实现超过驱动激光强度的峰值强度，何种几何结构可优化该效应？

主要发现

• 标准相对论性振荡镜（ROM）模型预测的谐波谱具有幂律衰减 I ∝ ω^(-8/3)，在谐波数 ω_r / ω_0 ∼ γ^3 以内有效。
• 一种新区域出现，其中形成超密集电子纳米束，产生更平坦的谱 I ∝ ω^(-6/5)，从而实现巨大阿托秒脉冲的发射。
• 阿托秒脉冲列具有本征频率 chirp，导致光谱线调制，这些调制并非表示非相干性，而是源于飞秒量级的等离子体动力学。
• 在三维几何中，自由空间衍射起到高通滤波器作用，改变光谱并诱导自然角向发散，同时在焦点处实现场强增强。
• 通过优化表面几何结构实现高次谐波的相干聚焦，可使峰值强度超过驱动激光强度逾千倍。
• 数值模拟验证了理论预测，特别是强电子压缩条件下等离子体表面存在 -6/5 幂律谱区。