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光与物质的相互作用过程中,当光场中的电场强度在量级上和原子分子内部的库仑场强度相近时,会产生一系列有趣的高度非线性物理现象,如阈上电离、高次谐波产生、非序列双电离等。这些物理现象不仅有助于理解极端条件下原子分子的动力学特性,而且具有重要的潜在应用价值,例如高次谐波产生就是一种获得台式化的极紫外、软X射线以及硬X射线光源的有效手段,目前国际上已经有多个研究小组成功获得了对生物活体成像有重要应用价值的“水窗(～2.3-4.4nm)”波段X射线相干辐射。此外,合成高次谐波辐射可以得到阿秒量级的极紫外相干光源,为研究电子的超快动力学提供了强有力的工具。
然而,在很长的一段时间内,由于激光技术的限制,驱动光场的波长通常限制在800nm附近。近几年,随着可调谐飞秒激光技术,特别是光参量放大技术的发展,单脉冲能量达到毫焦耳量级的可调谐中红外激光脉冲已经成为可能,从而使得开拓中红外新波段强激光场与物质相互作用研究新领域得以开展。驱动波长是强场激光与物质相互作用过程中的一个重要物理量,例如,实验研究已经证明强场高次谐波的产生遵循特定的波长标度规律,即高次谐波辐射的截止能量与激光场的波长平方成正比。由此可见,使用中红外波段新光源将有效增加获得的高次谐波光子能量。
本论文重点研究了利用中红外波段强场超快激光驱动光场将高次谐波辐射截止区拓展至“水窗”波段,并且对谐波产生中的相位匹配进行了较为系统的研究。此外,还对波前控制的飞秒激光成丝传输及自压缩现象进行了研究。主要工作和创新成果如下:
1.利用可调谐中红外波段强场超快激光驱动光源验证了高次谐波辐射的截止能量和光驱动波长的关系,并且系统研究了相位匹配与实验参数(如:驱动光能量、光斑尺寸、气压、几何聚焦)的关系,为进一步获得“水窗”波段X射线相干超快光源奠定了基础。
2.首次通过利用相位板控制入射飞秒光波前,延长了飞秒激光在空气中的成丝长度达三倍之多。通过测量成丝后的远场光斑分布,发现这种方法可以有效的克服等离子体散焦作用而在轴向上得到高能量的超连续谱。进一步测量丝内部的光斑分布,发现利用这种方法能够支持更高能量的激光脉冲形成单丝。此外,还对成丝过程中飞秒激光脉冲自压缩现象进行了研究。
3.首次利用高重复频率(1kHz)中红外波段强场超快激光驱动光源,成功将高次谐波截止能量推进到“水窗”波段,为实现台式化、高重复频率的“水窗”波段X射线相干超快光源开辟了途径。
4.首次观测到了中红外激光光场驱动下的谐波谱干涉图样,通过分析表明这是不同量子轨道干涉的结果,并且在实验上对结果进行了验证,进一步证明了这个结论。