基于泵浦—探测的固体高次谐波特性研究

High order harmonics generated (HHG) in the interaction of femtosecond lasers and atomic or molecular gas medium not only produce attosecond lasers, but also provide a way to probe the atomic and molecular structure and dynamics. Recently, HHG is also observed in the interaction of solid target and mid-infrared lasers. It has opened the door for extending the attosecond physics in the solid regime. On the other hand, due to the complicated band structure and electronic dynamics, the physics underlying solid HHG becomes richer and is not well understood. Lots of opening questions are not solved. The present proposal will investigate the properties of solid HHG with pump-probe method. By adjusting the pump-probe delay, we can distinguish and control the contributions of different mechanisms. After that, we can clarify the properties of different mechanisms. On the other hand, we will develop numerical and semi-classical models to explain the experimental results. Then, by comparing the experimental and theoretical results, we will reveal the underlying physics of solid HHG and develop a clear physical picture. Furthermore, we will investigate how to retrieve the band structure and dipole of the solid material.

飞秒激光与原子分子气体相互作用的高次谐波辐射不仅可以实现阿秒激光，也为原子分子结构和动力学探测提供了途径。最近，中红外激光与固体相互作用也发现了高次谐波辐射，这为阿秒物理和应用的研究打开了拓展至固体体系的大门。但由于固体更加复杂的能带结构和电子动力学效应，固体高次谐波的物理效应更加丰富，物理机制目前尚未完全理解，仍然存在许多问题亟待研究。本项目将采用泵浦—探测方法研究固体高次谐波的特性。通过调节泵浦光和探测光延时调控不同机制对高次谐波的贡献，进而澄清不同机制产生谐波的特性和规律。同时理论与实验相结合，建立和发展描述固体高次谐波的数值模型和半经典理论模型，揭示固体高次谐波的物理机制，完善物理图像，并在此基础上探索重构固体的能带结构、极化等信息的新方法。

中红外激光与固体相互作用产生的高次谐波为阿秒物理的研究打开了拓展至固体体系的大门，弄清固体高次谐波的产生机制是目前面临的关键问题。在项目支持下，我们按照任务书的计划，在固体高次谐波的产生机制、固体能带探测和强场作用下固体内电子超快运动等方面深入开展了理论和实验研究。在理论上，建立了固体高次谐波的倒空间轨迹模型，通过量子轨迹分析，揭示了固体高次谐波的“四步”辐射过程，完善了带间极化辐射机制的物理图像；发现电子波包畸变和波动性在固体高次谐波的重要作用，建立了固体高次谐波的惠更斯-菲涅尔模型，并基于此提出了一种新的、准确标定电子动力学过程时钟的方法；提出了固体高次谐波的“阿秒时域双缝”干涉概念，理论演示了从高次谐波光谱测量固体能带等的方案；提出了利用高次谐波光谱测量电子布洛赫振荡的方法。在实验上，重点研究了MgO，ZnO等固体高次谐波的辐射特性，偏振依赖特性、强度依赖标度律等。实验发现固体高次谐波和低阶谐波在强激光驱动下出现新的空间分布结构等强场非线性光学特性，提出并证明了强激光与固体相互作用的动态核极化效应；基于泵浦-探测方法，实验上实现了ZnO低阶谐波的超快操控，操控精度小于4飞秒。在 理论和实验方面都取得了创新性成果，发表学术论文11篇，其中包括物理学、光学国际重要刊物Phys.Rev. Lett.5篇、Phys. Rev. A/Opt. Express 5篇，若干成果已经在国内外取得了重要影响，特别是固体高次谐波的惠更斯-菲涅尔模型和“四步”辐射图像改变了人们长久以来基于“三步”模型惯性思维对固体高次谐波的认识，逐渐得到包括沃尔夫奖得主在内的20多个重要学术团队的正面引用和评价。在本项目的支持下，培养了7名优秀研究生，并锻炼出一支年轻、有活力和创造力的科研队伍。