基于遗传算法的高次谐波优化和控制

Great progress has been made in attosecond science for time-resolving ultrafast dynamics, by making use of attosecond pulses produced from high-order harmonic generation (HHG). Increasing the maximum HHG photon energy without reducing the conversion efficiency is a challenge of great importance to attosecond science. For this purpose waveform synthesis is possibly a powerful method, with the development of the laser pulse with long-wavelength, few-cycle and stable carrier-envelope phase tunable in the infrared region. It is very difficult and important to choose and control the parameters accurately in the waveform synthesizing. In this project we will investigate how to enhance harmonic yield and cut-off energy, how to generate intense and narrow attosecond pulse by waveform synthesis. The wavelengths, intensities and phases of the each frequency components for the optimized waveform will be obtained by Genetic Algorithm. With guidance from theoretical simulations, we believe that waveform synthesis will have an enormous impact on the future application of HHG in the laboratory.

高次谐波产生的超短脉冲，促使阿秒科学在探测电子的超快动力学方面取得了重要进展。在不降低转换效率的前提下，如何提高高次谐波光子的能量将是阿秒科学的一个重要挑战。随着光参量放大等激光技术的发展和长波、超短脉宽、载波包络相位稳定的激光脉冲的获得，波形合成为实现这个目标提供了可能性。因为在波形合成中可调的参数较多，因此如何精确选择和控制各个参数是一个非常困难、也是非常重要的研究课题。本项目计划通过遗传算法优化和控制各个激光脉冲的波长、峰值强度和相位等参量，来研究如何利用波形合成的方法提高高次谐波的转换效率和截止位置、产生超强超短的阿秒脉冲。相信本项目的理论模拟会对高次谐波在实验室中的应用带来积极的指导作用。

利用组合激光场与气体相互作用是一种重要的产生高次谐波、阿秒脉冲和太赫兹波的方法。本项目利用遗传算法优化和控制各个激光脉冲的波长、峰值强度和相位等参量，研究了如何利用波形合成的方法提高高次谐波的转换效率和截止位置、产生超强超短的阿秒脉冲、频率可调的太赫兹辐射。我们的结果表明，在不降低谐波截止位置的前提下，与单色场相比，通过优化激光场的波形，双色或三色场可以将高次谐波场的强度提高一到两个以上数量级，而且这些优化的波形不明显依赖于激光场的能量和波长。通过优化双色和三色多周期脉冲激光场的参数，获得了亚周期的激光场。这种激光场产生的高次谐波不仅强度高，而且谐波谱具有很好的连续性，可以得到高强度的单个阿秒脉冲。我们的结果表明合理利用多束长激光脉冲是可以产生单个高强度阿秒脉冲的。我们的研究还表明，在激光脉冲总能量和谐波场强度不变的前提下，由两束非倍频激光组成的优化组合场可将高次谐波的截止能量提高2倍。我们的结果表明，通过优化激光脉冲的参数，还可以显著提高太赫兹场的强度。通过优化发现了一种ω+4ω的倍频组合激光场模式。我们的结果表明利用优化的非谐频多色激光场与气体等离子体相互作用，可以获得频率可调谐的半周期飞秒太赫兹波。本项目得到的理论模拟结果会对实验室利用飞秒激光产生超强高次谐波、阿秒脉冲和太赫兹辐射带来积极的理论指导作用。本项目的部分研究结果已被其他实验和理论结果所证实。