相对论激光等离子体高亮度高次谐波与阿秒脉冲的偏振调控研究

Bright ultrashort coherent light sources in the extreme-ultraviolet to X-ray frequency range are powerful tools to study the structure and ultrafast dynamics of atomic, molecular and condensed matter systems. In particular, such light sources with controllable polarization are important and unique in investigating chiral molecules and magnetic materials. Recently, control and manipulation of this new dimension of light has become a hot topic. Here we propose to carry out research on polarization control of bright high harmonics and attosecond pulses from relativistic laser plasmas. On the one hand, we study the generation process of polarization controlled high harmonics and attosecond pulses to enhance our understanding of the underlying mechanisms. Besides, we also explore schemes to generate high harmonics up to the soft X-ray regime with controlled polarization. On the other hand, by studying the effect of laser polarization on the dynamics of laser-driven plasmas, we intend to explore ways to control the harmonic generation process at the nanometer and attosecond scale, as well as to generate an isolated single attosecond pulse with higher efficiency. We hope to improve the quality of such light sources as such they can be better used in the potential applications of investigating chiral molecules and magnetic materials.

高亮度超短相干的深紫外到X射线光源是研究原子、分子和凝聚态等体系的物质结构和超快动力学过程的有力工具，特别是偏振可控的此类光源在手性分子和磁性材料的探测方面可以发挥重要而独特的作用，实现偏振维度的光源产生和调控成为最近研究关注的热点。本项目拟开展基于相对论强度激光与高密度等离子体相互作用的高亮度高次谐波与阿秒脉冲的偏振调控研究，一方面，研究具有偏振可控特性的高次谐波以及超短阿秒脉冲的产生过程，加深对辐射过程的物理认识，探索至软X射线频段高亮度偏振可控高次谐波的产生方案；另一方面，利用激光偏振特性对等离子体动力学过程的影响，实现在纳米量级空间尺度和阿秒量级时间尺度对高次谐波辐射过程进行调控，并探索高效产生单个阿秒脉冲的新方法，提升光源品质，以期能为发展此类新型辐射光源以便将来广泛应用于手性分子和磁性材料的结构和超快动力学探测等其它重要研究领域做出贡献。

本项目围绕相对论激光等离子体高亮度高次谐波与阿秒脉冲的偏振调控问题，主要研究内容包括探索至软X射线频段高亮度偏振可控高次谐波和单个圆偏振阿秒脉冲的产生方案。我们按照项目研究计划，开展了一系列有特色的研究工作，全面完成了预定研究内容，达到了预期研究目标。取得的主要研究成果包括：(1) 提出了相对论激光等离子体高次谐波的斜入射偏振门技术，同时满足圆偏振阿秒脉冲的产生条件，可以有效地产生单个的圆偏振阿秒脉冲，且具有很高的强度；(2) 发现了不用调制主激光而是通过控制预等离子体来引发相对论振荡镜的加热效应可产生水窗波段的单个阿秒X射线脉冲，对于产生圆偏振阿秒脉冲也同样适用，这为产生这类新型光源提供了一个新的思路；(3) 将双色圆偏振驱动光场引入到了相对论等离子体高次谐波之中，证明了双色光场产生高次谐波的相关选择定则在激光等离子体系统中的有效性和普适性，为产生偏振可控极紫外X射线辐射的光谱调控提供了一种新方案和更多可控自由度。本研究为高亮度偏振可控极紫外/X射线光源的产生贡献了新的认识，可以为光源的下一步应用提供指导。研究成果在Physical Review E、Optics Letters、Optics Express等期刊发表学术论文十余篇，项目负责人在学术会议上做邀请报告3次，担任Optica、Optics Letters、Optics Express等十多个学术期刊审稿人。