張傑院士、劉峰特別副研究員帶領的團隊利用上海交通大學的200 TW飛秒激光裝置，研究了激光對比度對固體靶表麵高次諧波產生的影響。該團隊利用等離子體鏡係統把激光主脈衝10 ps以前的對比度從10-8提高至10-10，成功獲得階次為21階的高次諧波。
聚焦前沿：相幹衍射成像（CDI），是一種能夠實現納米級超高分辨的三維立體顯微成像的強大工具。目前CDI多采用自由電子激光器（XFEL）。但是這些裝置都規模巨大，需要耗費巨資，隻有國家級的實驗室才有能力建造，限製了其應用。固體靶表麵的高次諧波輻射因其波長短，時空相幹性高和脈寬短等諸多優良性質,有望應用於CDI，並有可能成為XFEL最好的替代光源之一。
近日，張傑院士、劉峰特別副研究員帶領的團隊利用上海交通大學的200 TW飛秒激光裝置，研究了激光對比度對固體靶表麵高次諧波產生的影響。這一工作對於後續實現CDI具有重要啟發。相關結果發表在Chinese Optics Letters 2017年第8期上。
課題組照片（從左至右）：後排：嶽東寧，李博原，方遠，葛緒雷，高健；
前排：鄧彥卿，魏文青，遠曉輝，劉峰
獲得持續時間更短的脈衝光源用於微觀世界超快過程的診斷與控製，一直是人們追求的目標。自鎖模技術可以產生飛秒激光脈衝，使得人們可以記錄下化學反應過程中原子運動的“慢動作”，在原子的層麵研究化學鍵的斷裂與形成過程。如果想更進一步深入原子內部捕捉電子的運動過程，則需要時間尺度在阿秒（10-18 s）量級的“閃光燈”。由於光脈衝寬度不可能小於一個光振蕩周期，產生阿秒脈衝必須使用波長比可見光更短的極紫外光甚至ｘ射線才有可能。
目前最成功的阿秒脈衝產生方法是基於超短超強激光與氣體相互作用的高次諧波機製，已經可以產生脈寬小於100 as的超短脈衝。由於氣體電離閾值的限製，驅動激光強度不能超過1015 W/cm2。最近的理論和實驗研究表明，相對論強激光與固體靶相互作用產生的高次諧波輻射可以突破對驅動激光強度的限製，有望產生能量更高、時間更短的相幹脈衝輻射。
圖1 固體高次諧波產生阿秒脈衝原理示意圖
從等離子體表麵產生高次諧波主要有兩種機製，即相幹尾場輻射機製(coherent wake emission, CWE)和相對論振蕩鏡機製(relativistically oscillating mirror, ROM)。當激光強度較低時，主導機製是CWE。靶表麵的電子會被激光電場加速並拉出等離子體表麵，而後當激光電場的方向改變時，這些電子會被重新注入到等離子體中激發等離子體波。
如果靶麵電子有一定的密度梯度分布，等離子體波可以通過線性模式轉換產生高次諧波輻射。當激光強度達到相對論光強（1018 W/cm2）時，主導機製是ROM。靶表麵在激光的驅動下，以接近光速的速度做周期振蕩。激光被這一高速運動的表麵反射後，由於多普勒頻移產生高次諧波。
圖2 實驗係統：左圖為200TW激光係統；右圖為靶場示意圖。（圖片來源：上海交通大學激光等離子體實驗室）
高次諧波產生過程不但依賴於激光強度，並且激光脈衝前沿產生的預等離子體密度分布對其也有很大影響。張傑院士、劉峰特別副研究員帶領的團隊利用上海交通大學的200 TW飛秒激光裝置，研究了激光對比度對固體靶表麵高次諧波產生的影響（圖2）。為了在靶表麵獲得陡峭的密度梯度，該團隊利用等離子體鏡係統把激光主脈衝10 ps以前的對比度從10-8提高至10-10，成功獲得階次為21階的高次諧波。
圖3 上圖為實驗裝置示意圖；下圖為實驗獲得的高次諧波原始圖像
實驗中一束強度為3.5×1019 W/cm2的飛秒激光脈衝以15°入射角照射拋光的熔融石英玻璃靶表麵，在其反射方向測量產生的高次諧波光譜（圖3）。實驗結果表明：利用等離子體鏡係統可以獲得階次為21階CWE機製的高次諧波。當不使用等離子體鏡係統時，隻能獲得非相幹的等離子體輻射。
圖4 (a)采用等離子體鏡係統的原始高次諧波原始圖像；(b)沒有采用等離子體鏡係統的光譜
預等離子體密度標長對固體靶表麵高次諧波有非常重要的作用，該研究團隊還利用2D particle-in-cell （PIC）方法模擬了密度標長對高次諧波強度的影響，發現存在最佳的密度標長使得高次諧波強度達到最大化。這一結果有助於深刻理解相互作用過程，優化實驗條件，為將來獲得更大能量的相幹短波長超短脈衝提供實驗基礎和重要技術手段。
目前實驗中隻獲得了CWE機製的高次諧波。ROM機製可以產生比CWE機製波長更短脈寬更窄的輻射，這對於很多應用都非常重要。實驗中激光強度和等離子體密度梯度都滿足獲得ROM機製高次諧波的條件。後續的工作將通過改變激光入射角來探究其對高次諧波產生的影響，嚐試獲得ROM高次諧波。將來還計劃選擇出單階諧波做相幹衍射成像演示實驗。
論文信息：
Jian Gao, et al.,Influence of laser contrast on high-order harmonic generation from solid-density plasma surface , Chinese Optics Letters 15 (8), 081902 (2017).
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