采用非均匀场的高重频高次谐波的产生及用于超快探测的研究

In inhomogeneous fields, high harmonic generation (HHG) promotes the research of the new X-ray sources, the laser-driven ion accelerators and the attosecond-pulse source in extreme ultraviolet (XUV) wavebands. However, the application of high harmonics is limited by the low repetition rates. XUV pulses with a MHz repletion rate have very important significances on exploring the microscopic world, might lead to the relevant scientific innovation, and accelerate the developments of biomedical imaging, time-resolved studies, and XUV holographic imaging and lithography. In different approaches for HHG with MHz repetition rates, the method which applies nanostructures via enhanced plasmonic field for HHG aroused great interests due to its innovative features. Though HHG via plasmonic nanostructures has been reported, there are still scientific issues which need to be resolved, i.e. explore 2D/3D nanophotonic devices to improve the convention efficiency of high harmornics, control and optimize the chirp and carrier envelope phase of the drive laser to tailor the characteristics of XUV/HHG. This project aims to explore the ultrafast dynamics of surface plasmon within the few-cycle laser, studys the mechanism of motion of collective electrons (surface plasmon polariton), builts the interrelationship between the plasmonic nanostructures and the enhanced plasmonic field, finally attains high-repetition rate XUV/HHG and single attosecond pulse for ultrafast detection PEEM research. This proposal is meaningful in theoretical and experimental ultrafast studies, and can be expect to promote the application of attosecond XUV source in ultrafast research field.

采用非均匀场的高次谐波产生（HHG）是获得高重复频率极紫外（XUV）阿秒脉冲的有效途径之一，该方法可将高次谐波重复频率显著提高，有望带来超快探测、精密光谱学、超快时间分辨等研究的重大突破。传统方式啁啾脉冲放大（CPA）系统产生的高次谐波重复频率低，极大地限制了HHG光源的应用，得到HHG光谱分辨较低，无法满足需要高XUV能流密度和较低脉冲能量的实验需求。本项目旨在利用非均匀场产生高次谐波来突破传统方法的局限，获得兆赫兹重复频率HHG/XUV光源：理论上，建立非均匀场HHG物理模型，探索表面等离激元增强导致的强非线性光学效应的动力学过程；材料上，发展新型金属纳米结构调控光场，提高高次谐波产生效率；实验上，通过系列调控与参数优化研究，深入研究产生高重频高次谐波的机理和调控方法，获得高性能高次谐波光源，结合超快探测技术对物质瞬态及微观结构实时探测。本项目对阿秒超快科学的理论和实验研究有重要意义。

本项目深入研究了纳米结构产生的谐波调控手段，考察驱动源的能量、脉冲、相位匹配及其他调控参数，对增强场产生的谐波在时间和空间分布的影响，并做全局优化控制。系统研究激光辐照下利用纳米结构产生谐波的机理，认识超快激光下纳米结构光场的运动机制，发展超快激光调制光场振荡的控制方法，建立并完善激光与纳米结构相互作用及谐波调制的物理模型和机理。设计并制备的在光学波段具有宽带共振、适宜产生谐波信号的纳米结构，为新型纳米光电器件的发展和设计提供理论与技术基础。首先深入研究激光辐照下纳米体系中的粒子的集体振荡过程，并构建其物理图像；探索纳米光器件在极端物理条件下的独特光学特性，分析纳米结构与其激发的光场内在联系。理论分析激光的调制和纳米结构可能对谐波光谱产生的影响，建立与产生谐波频谱的联系机制；其次，系统研究了非均匀场纳米结构产生谐波的机理并建立物理模型，阐明表面等离激元增强的时域响应对产生谐波频谱的关系；优化研究纳米结构，改变纳米尺度的光学器件的大小、形状和材料来调控光场分布，产生谐波的效率。设计并完成制备属纳米结构加工条件进行测试，为纳米结构的数值计算模型建立提供修正数据。随后进行了产生谐波的实验，得到谐波信号，并对其在时域和空间上进行细致地分析；所得实验数据与理论计算进行对照，完善物理模型。考察局域的不均一性对产生的谐波的影响，对照结果研究产生对应谐波信号的规律。最后深入研究谐波调控方法，全局优化调控参数，进一步改善谐波转化效率，研究并优化超短脉冲的产生条件，分析可能出现的新物理现象，探索更广泛的应用。