Генерация аттосекундных импульсов электромагнитного излучения

 

Сверхкороткие импульсы электромагнитного излучения, формируемые лазерными источниками, представляют собой интересный физический и объект и являются уникальным инструментом для исследования быстропротекающих процессов в физике, химии и биологии. 

На рисунке 3.6 представлены временные масштабы природных явлений.

 

Рис. 3.6. Временные масштабы природных явлений

 

Время жизни вселенной: 14 миллиардов лет = 5 10¹⁷ с

Средняя продолжительность жизни человека: 70 лет = 2 10⁹ с

Сердечный ритм: 1 с

Быстродействие компьютера: 3 10^-10 с

Длительность терагерцового импульса: 10^-12 с = 1 пикосекунда

Период колебания светового поля: 3 10^-15 с = 3 фемтосекунды

Период обращения электрона вокруг протона в атоме водорода: 1.5 10^-16 с = 150 аттосекунд

Сильные ядерные взаимодействия: 10^-21 с = 1 зептосекунда

Начальная вспышка большого взрыва (время Планка): 10^-43 с.

Из этого рисунка видно, что для фундаментальных физических исследований фемтосекундные длительности не являются пределом и работы направленные на генерацию более коротких импульсов являются актуальными.

Фемтосекундные лазерные импульсы впервые позволили наблюдать в реальном времени динамику быстропротекающих элементарных молекулярных процессов и получить мгновенные снимки молекул и групп атомов на различных стадиях химических реакций. Временное разрешение, обеспечиваемое фемтосекундными лазерными импульсами, оказывается достаточным для исследования любых, даже самых быстрых процессов молекулярной динамики.

Однако, для изучения динамики электронной системы внутри атомов требуются импульсы с длительностью короче одной фемтосекунды - аттосекундные импульсы (1 ас = 10^-18 с). Генерация таких импульсов стала возможной на основе нелинейно-оптических взаимодействий высокоинтенсивных сверхкоротких лазерных импульсов лишь в начале XXI века.

 

Рис. 3.7. Движение валентного электрона вблизи атомного остова

 

Интенсивный световой импульс с длительностью, соответствующей нескольким циклам поля, может приводить к ионизации атома. Вблизи своего максимума световое поле на короткое время понижает эффективный кулоновский потенциал, связывающий валентный электрон с атомным остовом. При этих условиях электрон туннелирует через потенциальный барьер или проходит над ним. Преодолевающий барьер электрон сначала удаляется от атомного остова, а затем возвращается к остову под действием линейно поляризованным полем. Благодаря высокой нелинейности процесса соответствующий электронный волновой пакет локализован на временном интервале порядка T ₀/10, где T ₀ - период колебания светового поля (2.5 фс для излучения с длиной волны 750 нм). Электрон, возвращающийся к родительскому иону, сталкивается с ним, приводя к возбуждению связанных электронов и испусканию рентгеновского излучения. Кванты рентгеновского излучения с максимальной энергией излучаются вблизи пика поля. В зависимости от фазы несущей относительно огибающей такие фотоны могут излучаться лишь однажды (j = 0) или дважды за импульс (j = p/2). В результате излучение вблизи частоты отсечки излучаемого спектра имеет непрерывный или промодулированный спектр.

Именно такая картина (см. рис. 3.8) наблюдается в спектре рентгеновского излучения, испускаемого атомами в поле сверхкороткого лазерного импульса со стабилизированной фазой (a. d) и без стабилизации фазы. Длительность импульса около 5 фс. Энергия 0.2 мДж. Импульс фокусируется в газовую трубку, наполненную неоном при давлении 160 мбар. Интенсивность сфокусированного импульса 7 х 10¹⁴ Вт/см².

 

Рис. 3.8. Спектр высших гармоник, возбуждаемых излучением сверхкороткого импульса

 

Схема генерация аттосекундных импульсов в соответствии с описанным выше механизмом представлена на рисунке 3.9.

 

 

Рис. 3.9. Схема генерации аттосекундных импульсов

 

 

Момент испускания аттосекундного импульса жестко привязан к фазе максимального поля сверхкороткого лазерного импульса.

 

На рисунке 3.10 представлена хронология генерации коротких лазерных импульсов.

 

Рис. 3.10. Хронология генерации коротких лазерных импульсов

 

При формировании аттосекундных импульсов особое внимание уделяется, как и для фемтосекундных импульсов, принципу синхронизация. В фемтосекундных системах необходимо обеспечить синхронизацию продольных мод лазерного резонатора. При генерации аттосекундных импульсов требуется обеспечить синхронизацию фаз оптических гармоник или частотных компонент, генерируемых в результате вынужденного комбинационного рассеяния высокого порядка.