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【聚焦科技前沿】超寬帶極紫外相干光源--高次諧波

更新更新時間:2024-07-23 點擊次數(shù):223

超寬帶極紫外相干光源--高次諧波

在首篇《名家專欄》中,我們深入探討了阿秒超快光學的奇妙世界,揭示了其在追蹤電子動態(tài)、探索凝聚態(tài)物質(zhì)深層物理以及電子信號處理等領域的無限潛力。而今,我們踏入第二期,將焦點對準超寬帶極紫外相干光源的核心技術——高次諧波(High-Order Harmonic Generation, HHG)現(xiàn)象,這一技術不僅極大地豐富了超快光學的工具箱,更為科學研究開辟了新的視野。

自1987年*次發(fā)現(xiàn)高次諧波(HHG)以來,極紫外高次諧波由于其高相干性、短脈沖及光子能量高等優(yōu)點,在物理、化學、生物以及各類譜學和成像研究中得到廣泛應用。高次諧波產(chǎn)生是一種高階非線性光學過程,具有從真空紫外到X射線的寬帶頻譜。圖1所示是一張典型的氣體高次諧波譜圖。

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圖1、氣體高次諧波譜的簡單示意圖,包含了氣體高次諧波譜的光譜形狀基本特征。在低級次處高次諧波強度快速下降,對應于傳統(tǒng)的微擾非線性光學區(qū)域;隨后是一個強度變化相對比較平緩的平臺區(qū),在Ip+3.17Up附近高次諧波強度再次急劇下降,對應于高次諧波截止區(qū)。

幾乎所有的氣體高次諧波實驗所得到的諧波譜都表現(xiàn)出同一個特征:隨著諧波級次的增加,開始一些低次諧波效率單調(diào)下降,緊接著出現(xiàn)一個所謂的“平臺";在平臺區(qū)內(nèi),諧波的強度隨諧波級次的增加下降得非常緩慢;在平臺區(qū)末端的某一級次諧波附近,諧波強度迅速下降,出現(xiàn)截止。這意味著一個非常重要的優(yōu)勢,即它產(chǎn)生了從真空紫外到X射線的寬帶頻譜。目前,實驗上獲得的最短高次諧波輻射波長已經(jīng)達到<1 nm [Science, 2012, 336: 1287.]。通過中紅外激光脈沖與多價態(tài)離子相互作用甚至可以產(chǎn)生光子能量達到~5.2 keV的高光子能量的諧波輻射[Optica Vol. 9, No. 9,1003,September2022]。

而且,氣體高次諧波有很多*特的性質(zhì),比如具有很好的方向性,*好的時間和空間相干性,使得人們*全有可能利用T3(Table-Top-Terawatt)激光產(chǎn)生的氣體高次諧波來獲得可調(diào)諧的相干XUV和軟X射線源,具有廣泛的用途,比如在水窗波段,氧原子的吸收要比碳原子的小得多,可用于對活體生物的研究。

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圖2、基于XUV的時間分辨ARPES裝置。插圖(右上)顯示了近紅外(NIR)光通過氪氣產(chǎn)生高次諧波(HHG)以產(chǎn)生極紫外(XUV)光的實驗布局[Nature Communications, 06 Aug 2019, 10(1):3535]

極紫外波段的波長范圍大致在10 - 120 nm,該波段恰好是高次諧波可以有效產(chǎn)生的波段,因此高次諧波的另一個重要用途即產(chǎn)生高功率的極紫外光源。大部分物理和化學過程在本質(zhì)上都是原子和分子反應過程,比如臭氧層空洞的形成、霧霾的形成、燃燒過程等等。在凝聚態(tài)物理方面,以ARPES能譜測量為例,一束極紫外光照射到樣品上,樣品表面的電子被極紫外光激發(fā)至連續(xù)態(tài),光電子動能和發(fā)射角度則包含樣品的能帶結(jié)構(gòu)信息。帶有角度分辨功能的電子分析器接收到輻射出的這些光電子,從而得到樣品價帶附近的能帶結(jié)構(gòu)。高次諧波是一種非常適合用于表面電子結(jié)構(gòu)動力學研究的光源,它可以在可以忍受的電子能譜分辨率的條件下,同時獲得一定的時間分辨率信息[Nature, 2011, 471: 490–493.]。在表面光化學方面,Bauer等人[Phys. Rev. Lett., 2001, 87(2): 025501.]還用氣體高次諧波研究了吸附在Pt(111)表面的氧分子在光激發(fā)后的超快(瞬態(tài))變化過程,這對于表面催化過程的研究非常重要。飛秒氣體高次諧波還可用于研究固體內(nèi)殼層電子動力學[Phys. Rev. Lett., 2003, 91(1): 017401.]、稠密激光等離子體產(chǎn)生與演化過程測量[Phys. Rev. Lett., 2005, 95(02): 025001.]等。

近些年,隨著高重頻高平均功率飛秒激光系統(tǒng)的發(fā)展,激光系統(tǒng)的平均功率可達到千瓦水平,產(chǎn)生的極紫外高次諧波光源可達到近毫瓦水平(圖3),進一步拓展寬帶極紫外光源的應用,使得高次諧波光源成為一種非常有應用潛力的光源,不僅在原子分子和凝聚態(tài)物理等基礎科學領域,目前更是在往半導體檢測等應用領域拓展。

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圖3、高重頻高平均功率極紫外光源[ Vol. 3, No. 11 / November 2016 / Optica1167;Ultrafast Science  Volume 2022, Article ID 9823783]

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