ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

ГЕНЕРАЦИЯ АТТОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Важное применение генерации гармоник высокого порядка связано с вре­менной структурой ВУФ-излучения. В результате процессов ионизации и рекомбинации, периодически повторяющихся каждые полпериода лазерно­го излучения, испускаются вспышки импульсов ВУФ-диапазона, длитель­ность которых достигает аттосекундной области [35, 36]. Как и предполага­ли теоретически Фаркас (Farkas) и Тоф (Toth) в 1992 г., была получена гене­рация последовательностей субфемтосекундных импульсов и проведены соответствующие измерения при облучении атомарных благородных газов импульсами лазерного излучения с длительностями в много периодов свето­вой волны. Временной профиль Ix(t) генерируемых ВУФ-импульсов может быть описан как

ZA exp [-iaqt + icp(w5)]

N

Где Ад и ф(о9) — спектральные амплитуда и фаза соответственно А^-го числа полей гармоник. Фаза ф(со^) зависит от синхронизации полей гармоник в те­чение процесса испускания, и она связана со временем испускания гармо­ник следующим выражением: ф(сод) = #со0£е. В случае идеальной синхрони­зации N гармоник (время испускания не зависит от порядка гармоники д), могут получиться ВУФ-импульсы с длительностью Т0/2И, где Т0 — период световой волны лазерного излучения. Поэтому в случае индуцирующего ла­зерного поля с центром длины волны в 800 нм (Т0 = 2,67 фс) достаточно пяти фазово-сцепленных (синхронизованных) гармоник, чтобы сформировать по­следовательность аттосекундных импульсов. Разность фаз между последо­вательными гармониками можно установить с помощью методики, которая называется восстановлением аттосекундных биений, обусловленных интер­ференцией двухфотонного перехода (ВАВ1ТТ). Эта методика основана на из­мерении спектра фотоэлектронов, генерируемых в благородных газах за счет ионизации, при совместном воздействии на него излучения гармоник и ос­новного (ИК) излучения лазерного пучка. Разность фаз между последова­тельными гармониками можно определить путем измерения амплитуды пи­ков на генерируемых боковых частотах, которая, в свою очередь, является функцией задержки между ИК-импульсом и полем гармоники. Используя эту методику, в 2001 г. были измерены последовательности импульсов в 250 ас, разделенных интервалом в 1,35 фс, при выделении пяти нечетных гармоник (от 11 до 19). Как уже упоминалось, процесс генерации гармоник вызывает атто-чирп, положительный в случае коротких квантовых траекто­рий и отрицательный в случае длинных квантовых траекторий. Это препятст­вие синхронизации разных гармоник неблагоприятным образом сказывается на длительности испускаемых ВУФ-импульсов. Более того, каждая гармони­ка может получиться, по крайней мере, двумя путями, соответствующими коротким и длинным траекториям электрона с одной и той же энергией при возвращении, но с совершенно разными фазовыми характеристиками. Это препятствует генерации спектрально ограниченных ВУФ-импульсов. Таким
образом, чтобы генерировать регулярную последовательность аттосекундных импульсов, требуется, прежде всего, выделить определенный тип кванто­вых путей электрона. Как уже указывалось, короткие траектории электрона могут быть легко определены путем помещения газовой среды после фокуса лазерного пучка и путем выделения центральной части пучка генерируемых гармоник, используя точечную диафрагму. В этом случае минимальная дли­тельность импульса определяется атто-чирпом соответствующих траекторий электрона. Спектрально ограниченные аттосекундные импульсы могут быть получены при соответствующей компенсации чирпа. В случае получения ВУФ-импульсов за счет вклада коротких путей требуется отрицательная дисперсия. Для этого был предложен плазменный компрессор, поскольку свободные электроны вызывают отрицательную дисперсию групповых ско­ростей. Можно также использовать металлические пленки с линейной от­рицательной дисперсией групповых скоростей. В частности, отрицательная дисперсия групповых задержек тонкой алюминиевой пленки использова­лась для компенсации начального положительного атто-чирпа в полосе час­тот, охватывающей десять гармоник, генерируемых в аргоне. Таким спосо­бом генерировались последовательности импульсов длительностью 170 ас (импульсы в этих последовательностях разделялись половиной периода ос­новной лазерной волны).

Для многих применений требуются одиночные аттосекундные импульсы. Пока были предложены и реализованы две схемы для генерации изолирован­ных аттосекундных импульсов. Первая основана на использовании лазерных импульсов длительностью в несколько периодов (< 5 фс) со стабилизирован­ной фазой «несущая-огибающая» (СЕР) и на применении нужной спектраль­ной фильтрации ВУФ-излучения. Наибольшая энергия ВУФ-излучения (об­ласть резкого спада генерации гармоник) получается вблизи пика лазерного импульса. В случае лазерного импульса в несколько периодов излучение вблизи области спада генерации гармоник может быть сосредоточено в половине оп­тического периода рядом с максимумом импульса. Таким образом, выделяя с помощью нужных фильтров вполне определенную ширину полосы спектра вблизи области спада генерации гармоник, можно получить либо одиночный аттосекундный импульс, либо пару таких импульсов в зависимости от значе­ния СЕР лазерного импульса. Величина СЕР является добавочным ключевым элементом стабильной генерации аттосекундных импульсов. В частности, для лазерного поля Еь^) = Е(£)со8(ю0£ + ф), где ф — фаза «несущая-огибающая», только «косинус» импульсы (ф = 0) дают возможность получить изолирован­ную вспышку ВУФ-диапазона. Используя такой подход, в 2004 г. были полу­чены импульсы длительностью 250 ас.

Другой подход для генерации изолированных аттосекундных импульсов основан на использовании фазово стабилизированных лазерных импульсов с длительностью в несколько периодов, в сочетании с методикой поляриза­ционного стробирования. В этом методе используется сильная зависимость процесса генерации гармоник от поляризационной эллиптичности лазерных импульсов, что дает возможность получить временное окно линейной поля­ризации лазерных импульсов. Тогда генерация ВУФ-импульсов возможна

Лишь в интервале этого окна линейной поляризации лазерного излучения, причем этот интервал может быть короче половины периода лазерной вол­ны. В сочетании с использованием лазерных импульсов в несколько перио­дов со стабилизированной фазой СЕР эта методика позволяет генерировать изолированные аттосекундные импульсы. Преимущества этого метода сле­дующие:

■ генерация широкополосных ВУФ-импульсов;

■ широкая область перестройки аттосекундных импульсов при изменении генерирующей газовой среды;

■ масштабируемость по энергии;

■ возможность достижения однопериодного режима.

В 2006 г. были получены одиночные импульсы с длительностью вплоть до 130 ас с энергией фотона около 36 эВ. Каждый такой импульс содержит не более 1,2 периода несущей частоты. Такой источник ВУФ-излучения явля­ется важным инструментом исследований фундаментальных процессов в спектральной области, близкой к уровням энергий большинства внешних электронов в атомах, молекулах и твердых телах. Это открывает путь новых областей применений аттосекундных импульсов, где со средой могут взаи­модействовать одиночные аттосекундные импульсы длительностью почти в один период волны.