【摘 要】
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随着超强超短激光技术的快速发展,高强度激光脉冲系统已经在全世界各国的实验室中广泛建立起来,并在一定程度上实现了商业化。目前商品化的高重频钛宝石激光系统可以输出聚焦峰值强度高达1014W/cm~2、脉宽数十飞秒的激光脉冲,其对应的电场强度足以与原子内部的场强相比拟。如此高强度的激光与介质相互作用时会产生一系列新的强场物理现象,如阈上电离、次序和非次序双电离以及高次谐波的产生等。其中,高次谐波因其辐射
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随着超强超短激光技术的快速发展,高强度激光脉冲系统已经在全世界各国的实验室中广泛建立起来,并在一定程度上实现了商业化。目前商品化的高重频钛宝石激光系统可以输出聚焦峰值强度高达1014W/cm~2、脉宽数十飞秒的激光脉冲,其对应的电场强度足以与原子内部的场强相比拟。如此高强度的激光与介质相互作用时会产生一系列新的强场物理现象,如阈上电离、次序和非次序双电离以及高次谐波的产生等。其中,高次谐波因其辐射脉冲短、辐射频带宽以及辐射波长可调谐等特点,可用于合成阿秒脉冲以及产生相干的极紫外或X射线光源而备受关注。然而,受限于高次谐波宏观传播过程中的相位失配,导致无论是采用长波长驱动激光还是高强度驱动激光,其产生高次谐波的脉冲能量转换效率都不超过10-6~10-7,极大地限制了高次谐波源的实际应用。因此,本论文通过探索高次谐波产生过程中驱动激光的演化过程以及驱动激光强度对谐波相位匹配的影响从而提出了一种可在高强度激光下形成谐波相位匹配的新方法,有效地提高了高次谐波的强度。本论文的主要研究内容和取得的研究结果如下:(1)通过数值模拟高次谐波的微观产生和宏观传播过程,研究了不同气体背压情况下等离子体散焦效应对驱动激光的影响。发现等离子体散焦不仅会影响激光强度的空间分布,而且会对激光的时空波形进行整形和重塑,从而影响高次谐波的相位匹配情况。(2)通过具体分析不同驱动激光强度和气体背压情况下等离子体散焦效应对高次谐波各相位失配量的影响,提出了一种通过调控激光强度来实现某一级次谐波的瞬态相位匹配的新方法。通过研究不同气体背压和不同驱动激光强度下高次谐波各相位失配量的变化情况,发现偶极相位失配量会随着等离子体散焦效应的增强而增加,并有可能弥补由高强度驱动激光带来的等离子体色散失配量的增加,从而有望在介质内形成谐波的相位匹配。(3)在模拟过程中保持驱动激光能量(0.6 mJ)和脉宽(15 fs)不变的情况下,通过改变激光的焦斑大小从而改变激光的强度,并通过调节气体背压和介质长度实现了89th谐波的瞬态相位匹配,从而极大地增强了谐波强度。研究发现,当驱动激光强度提高到1.6×1015 W/cm~2时,产生的89th(137.95 eV)谐波强度是同等气体背压条件下低强度驱动激光(0.65×1015 W/cm~2)产生的89th谐波强度的64.8倍,也比此低强度驱动激光在相位匹配时产生的89th谐波的最高强度增强21.7倍。
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