圆环艾里脉冲光束驱动的高次谐波空间相位匹配特性及其控制研究

Ring-Airy beam is one of the hottest topics of nonlinear optics due to its abrupt self-focusing property. The intensity of the ring-Airy beam can reach ten terawatts and even much higher after its self-focusing, which leads to the multi-photon ionization and tunneling ionization of the atomic and molecular systems, and open the way to strong-field resume of light-matter interaction. In this project, we plan to study the characteristics of the high harmonics driven by the intense ring Airy beam pulse, including the parameter-dependences of the high harmonics on the phase-matching properties of both the long and short quantum paths and its optimization. Base on the researches above, we also plan to get the key parameters to obtain the efficient high harmonic beams with high beam quality.

圆环艾里光束由于具有瞬间自聚焦的特点而成为非线性光学领域备受关注的前言热点之一。目前实验上可实现的圆环艾里脉冲光束在聚焦之后的强度可以达到十太瓦每平方厘米甚至更高，如此高的强度已经足以使得许多原子分子体系的外层电子发生多光子电离甚至隧道电离，从而使得光与物质作用进入强场领域。本项目拟研究圆环艾里脉冲光束驱动下的高次谐波辐射特性，通过对光束自聚焦之后驱动惰性气体产生高次谐波的辐射特性进行分析，研究相关实验参数对高次谐波长短轨道相位匹配特性的影响，进一步研究其优化控制的可能性，寻求获得产生高光束质量、高转换效率的高次谐波光束的重要实验参数。

高次谐波的相位匹配一直是强场激光物理领域研究的重要内容之一。其中，驱动光束的相位结构对高次谐波的相位匹配程度有至关重要的影响。本项目引入圆环艾里光束作为高次谐波的驱动光束，由于圆环艾里光束具有非常特殊的相位结构，在传输的过程中可以突然自动聚焦，将自身的能量提升两个量级甚至更多，聚焦之后还能近乎无衍射地传输，因此是高次谐波的理想驱动光源。本项目发现在圆环艾里光束驱动下，高次谐波的长量子轨道可以在厘米量级的传输距离内获得持续的增益，而传统的高斯光束的有效相互作用距离仅仅只是毫米量级，因此相应的谐波转换效率比传统的高斯光束可以提高两个量级以上。除了转换效率之外，本项目还意外地发现了突然自聚焦光束驱动的高次谐波的另外一个令人惊讶的特性：高次谐波获得近乎完美相位匹配的阶次正比于驱动光的光强。这一特性使得利用突然自聚焦光束进行驱动的高次谐波可以通过调整光强实现连续调谐。本项目还进一步研究了涡旋圆环艾里光束驱动的涡旋高次谐波相位匹配特性，发现涡旋高次谐波也可以在驱动光束焦点之后获得持续的增益。