相对论飞秒强激光驱动的阿秒脉冲光源产生及其优化

The prodigious progress in few-cycle femtosecond laser technology has enabled the generation of isolated attosecond pulses, which is of great interest in many research frontiers. However, current available attosecond light pulses are still not strong enough for XUV-pump-XUV-probe experiments. An attosecond light source from relativistically intense femtosecond laser interaction with solid density plasmas has the advantage of high energy conversion efficiency, and allows the use of higher laser intensities available from state-of-the-art multi-TW and PW laser systems, thus rendering them the ideal drivers to a source of intense attosecond pulses. This project will systematically study the impact of laser and plasma parameters on the performance of attosecond XUV light sources in intense femtosecond laser and solid density plasma interactions. It will also study the control and tuning technologies to obtain an intense isolated attosecond pulse, to reduce the divergence angle of XUV beams, and to enhance the stability of attosecond light sources, providing a potential tool for future XUV-pump-XUV-probe experiments. It will further develop technologies for the measurement and control of plasma-vacuum interface evolutions on femtosecond time scale, as well as for the control of solid density electron bunch dynamics on attosecond time scale, toward the goal of a more easily accessible, more highly efficient attosecond XUV light source.

周期量级飞秒激光技术的发展使单个孤立的阿秒脉冲成为可能，后者是前沿学科研究的有用工具。然而，现阶段阿秒脉冲能量还不够强。使用相对论飞秒强激光驱动的固体密度等离子体表面高次谐波的方法产生阿秒脉冲，能量转化效率高且不受最高可用光强的限制，可以使用太瓦和拍瓦激光技术产生高能量的阿秒脉冲，具有重大研究意义。本项目将系统地研究飞秒强激光与固体密度等离子体相互作用时激光与等离子体参数对极紫外阿秒脉冲光源性能的影响；研究相应的调控技术，以获得单个孤立的高强度阿秒脉冲，减小极紫外光束的发散角，提升阿秒光源输出参数的稳定性，使其可以用于未来的泵浦探测光谱学实验；研究针对相对论等离子体-真空界面的飞秒测量与控制技术以及针对固体密度超短电子束的阿秒控制技术，以实现更易用、更高效的极紫外阿秒脉冲光源。

少周期飞秒强激光技术的发展使单个孤立的阿秒光脉冲成为可能，后者是前沿科学研究的有用工具。对于大多数应用，现阶段阿秒光脉冲的能量还不够强。因而研发大能量阿秒光脉冲并改善光源的性能具有重要意义。本项目旨在系统地研究飞秒强激光与固体密度等离子体相互作用参数对极紫外阿秒脉冲光源性能的影响，并研发相应的调控技术，减小极紫外光束的发散角，提升阿秒光源输出参数的稳定性，以获得更易用、更高效的单个孤立的高强度阿秒脉冲光源。围绕着这一研究目标，我们展开了一系列研究，取得了初步成果。. 我们首先系统地研究了激光强度、入射角和等离子体标尺长度等参数对相对论高次谐波能量转换效率和孤立阿秒脉冲分离度的影响，并且将相互作用动力学总结成了一个解析模型。虽然激光等离子体参数对阿秒光脉冲产生的影响是复杂的，但是存在着能够实现大能量孤立阿秒光脉冲的最佳等离子体标尺长度和最佳入射角。当其他相互作用条件确定时，使用中等强度的相对论强激光可以在较宽的参数范围内实现孤立的阿秒光脉冲。大角度入射时，孤立阿秒光脉冲的分离度较高，能够实现孤立阿秒光脉冲的相互作用参数范围也较宽。.其次，使用粒子模拟和实验研究相结合的手段研究了利用极紫外频谱干涉法对高密度电子流体真空边界进行动力学诊断的方案。实验测量了经过激光载波包络相位标定的两周期强激光与固体密度等离子体靶相互作用后的反射光谱，获得激光电场波形依赖的相对论高次谐波光谱和单个孤立的阿秒光脉冲。.其三，在超快激光驱动气体靶产生水窗波段的孤立阿秒脉冲光源方面，我们为了优化X射线脉冲能量而同时保持很好的脉冲分离度，使用多目标基因优化算法调控激光电场波形，并将合成的激光波形用于宏观传播模拟以预测实际实验中的X射线脉冲能量。与文献中常用的单目标优化基因算法相比，我们的方法能够同时优化截止光子能量，截止能量处的谐波产额以及单个阿秒脉冲的带宽，给出多目标问题各个最优子目标之间的权衡解决方案。.