基于极紫外光学频率梳的双色场电子动力学研究

Optical frequency comb in the extreme ultraviolet (XUV comb) represents an excellent combination of optical frequency comb technology and high harmonic generation (HHG) technique. By using the HHG after the interaction between rare gas and frequency comb in the near IR region, optical frequency comb in the extreme-ultraviolet can be achieved. XUV comb provide the chance to test of the Quantum Electrodynamics (QED) more precisely by using He+ and Li+. However, until now, the power of an XUV comb is still low and its usage is strongly limited. In this proposal, we are going to improve the performance of an XUV comb by introducing a two-color laser filed scheme into the HHG process. Since the electronic dynamics are controlled by the relative phase, the relative intensity ratio, and the polarization of the two laser pulses, the power of the XUV comb can be enhanced by optimizing these parameters. We are also going to optimizing the experimental condition so that a single harmonic can be enhanced. By recording HHG spectra as the change of different parameters, the role of the macroscopic and the intra-atomic phase matching will be revealed. This study will improve the performance of the XUV comb and promote the study of ultrafast electron dynamics.

极紫外光学频率梳是飞秒光梳技术与高次谐波技术巧妙结合的结晶。它利用强激光场与稀有气体的相互作用，实现了光梳从近红外波段到极紫外波段的转化，为基于He+、Li+等体系的精密光谱测量，在更高精度上检验量子电动力学带来了机遇。但是，现阶段极紫外光梳功率低，给精密谱线测量实验以及相关应用带来了挑战。本项目拟将双色场方案引入极紫外光学频率梳的研究中，通过调节双色场相位差、偏振、强度比例等参数，实现对强场中电子的量子轨道控制，达到增强高次谐波转换效率的目的。同时，我们还将探讨双色场中单级次谐波增强的物理根源，更深层次的研究不同相位匹配机理在高次谐波中的作用。本研究将有效改进极紫外光学频率梳的性能，并推动强场中量子轨道控制的研究。

极紫外光学频率梳为实现少电子体系的精密光谱测量，在更高精度上检验量子电动力学带来了机遇。同时，它还巧妙的结合了高次谐波技术，为研究场强物理提供了平台。因此，建立性能优异的极紫外光学频率梳装置，将极大推动精密测量物理和强场阿秒物理的相关研究。项目根据原计划，搭建了极紫外光学频率梳平台，优化了其性能，实现了参数达到国际先进的极紫外光梳装置。项目首先搭建了一套飞秒共振腔，其增强倍数可达225倍，腔内最高功率可达6.08kW，可持续锁定时间超过1小时。利用该飞秒共振腔，我们实现了高次谐波所需要的光强，并实现了腔内高次谐波过程。随后，我们改进了腔内高次谐波的耦合输出方式，以特殊设计的光栅来替代原来的布儒斯特片，并优化了稀有气体喷嘴的位置，提高了高次谐波的产生功率和耦合输出功率。测量发现，该系统产生的谐波在94nm处的功率为116μW，在148nm处的功率为1.3mW。为检验谐波的相干性，我们测量了3次谐波（腔内3次谐波和合频产生的3次谐波）的拍频信号，其半高宽为3Hz，意味着谐波的相干时间超过微秒。同时，我们在理论上开展了双色场电子动力学的研究。我们研究了平行双色场下N2分子的强场光电子全息，在光电子动量分布上发现了一种新奇的干涉图样。进一步分析发现双色场中二次背向散射电子轨道和直接电子轨道的电离几率相当，两者之间相互干涉形成了这种新的光电子全息干涉结构。这些探索为今后研发更优性能的极紫外光梳奠定了良好的基础。截止2020年12月，在项目支持下已发表高质量文章4篇。同时，还有1篇在审稿，1篇正在撰写。此外，项目培养研究生三名，支持参与国际国内会议8人次，发表会议论文4篇。