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1、超快超强激光物理学第五讲第五讲高次谐波及阿秒脉冲高次谐波及阿秒脉冲龚旗煌教授北京大学物理学院现代光学研究所人工微结构和介观物理国家重点实验室中科院－北京大学联合超快光科学和激光物理中心本文撰写时间仓促，有错误和不足之处，恳请批评指正。版权所有，引用请与作者联系！第五讲、高次谐波与阿秒脉冲一、概况二、高次谐波产生机理三、突破水窗极限研究四、位相匹配实验研究五、as脉冲测量——电子相关法六、展望北京大学超快超强激光物理学一、概况高度非线性作用高次谐波（相干超飞秒强场短软X射线）产生120fs,800nm,1015W/cm2,neontarge
2、t21阶次和111阶次谐波光强变化不超过10倍。PRL70(1993)766北京大学超快超强激光物理学相干超短软X射线广泛应用前景：1、生物、生命科学：高时空分辨活体结构显微和全息成像（2.3-4.4nm水窗）2、化学：飞秒时间尺度的化学反应（轻元素）3、材料科学：超快时间分辨X射线衍射、材料中的超快过程4、微电子学：纳米尺度（5-20nm）光刻5、非线性光学：X射线波段6、阿秒科学：阿秒产生、电子运动动力学（H玻尔轨道电子绕核运动一周时间152as)7、原子、分子物理北京大学：X超快超强激光物理学射线波段光谱超短波长（软X射线）获得基本
3、方法：1、自由电子激光（FEL)高能电子加速度产生韧致辐射，这辐射又与高能电子作用，将电子能量转化为相干辐射。lµ1/E2（E电子能量）目前l可见范围2、高剥离离子X射线相干辐射强激光轰击固体靶，在高剥离离子态上建立粒子数反转，实现短波长受激辐射和放大lµ1/P4（P激光功率）3.56nm(ASE)3、非线性光学方法——参量过程、高次谐波飞秒激光北京大学高次谐波超快超强激光物理学最有效方法二、高次谐波产生机理：1)基态电子在强激光场中发生隧道电离；2）电离的电子在激光场作用下做振荡运动，当它返回母离子并复合回原子基态时，放出光子。光子的能
4、量为：hw=Ip+EkinIp-----原子电离势，Ekin----返回电子动能北京大学超快超强激光物理学hw=Ip+EkinEkin最大值为3.17UpUp=e2E2/4mew02=9.33´1014Is(W/cm2)l2(mm)有质动力势(PonderomotiveEnergy)Is——饱和强度北京大学超快超强激光物理学非线性光学（微扰论）：激光场作为微扰项谐波效率随级次的升高急剧降低非微扰：激光场（>1015W/cm2)与库仑场相当或超过实验表明：最低几次谐波的强度快速下降（类似微扰结果），随后出现包含许多谐波级次的平台区，平台区有
5、一个快速下降的高次谐波截止。截止频率与气体分子的电离能有关：采用惰性气体Xe,Kr,Ar,Ne,He电离能12.13,13.99,15.76,21.6,24.6eV北京大学超快超强激光物理学高次谐波研究进展：1987，McPhersonetal,JOSAB4,P.595KrFlaser248nm>20GW,1ps,He,Ne,Ar,Kr,Xe14.6nm(Ne)17次1989，X.FLietal,Phys.Rev.A39,P.5751Nd:YAGlaser1064nm,36ps,2GWAr,Kr,Xe32.2nm(Ar)33次1993A.
6、L‘Huillieretal,PRL70P.774Nd:YAGlaser1064nmNe北京大学超快超强激光物理学7.6nm135次1993，J.J.Macklinetal,PRL70,P.774Ti:Slaser(第一次）125fs,800nmNe7.4nm109次1997，Z.H.Changetal,PRL79,P.2967Ti:S,26fs,780nmHe2.73nm297次1997,Ch.Spielmannetal,Science278,P.661Ti:S,5fs,780nmHe<3nm北京大学超快超强激光物理学研究方向：1、提高
7、转换效率新技术、新方法典型效率10-8-10-92、更短波长辐射的获得——水窗(已获得）3、更短脉冲宽度辐射的获得——阿秒脉冲北京大学超快超强激光物理学三、突破水窗极限研究截止波长与激光的关系：hnc=Ip+3.17UpUp=9.33´1014Isl2PRA41(1993)4193Is代入hn,Ip——eVa=0.5,t----脉宽cp——电离几率，G=3(=1forHe),C=2lmn*l*hnc——与北京大学脉宽、超快超强激光物理学波长直接相关26fs,800nm,6×1015W/cm2Ne(21.6eV):4.9nm(253eV)1
8、63次He(24.6eV):2.4nm(518eV)333次100fs脉宽：Ne119次，He239次PRL79（1997）2967北京大学超快超强激光物理学Ne高次谐波信号He高次谐波信号北
