双色场驱动固体高次谐波和太赫兹同步辐射理论研究

High-order harmonic generation (HHG) in isolated atoms and molecules has been the foundation of attosecond metrology and molecular orbital tomography. The recent observation of non-perturbative HHG in solids has opened the door to the observation and control of attosecond electron dynamics in solids, all optical band-structure reconstruction, and solid-state sources of isolated extreme-ultraviolet pulses. However, the microscopic mechanism underlying HHG from solids is still controversially debated. In this project, we focus on the synchronized radiation of terahertz wave and high-order harmonics from solids driven by the combination of strong laser pulse and a weak second harmonic pulse. By numerical simulations of solids in strong laser fields, we investigate the microscopic origin of HHG and Terahertz wave generation, and establish connection between the ultrafast electron evolution and the coherent radiation spectra. Furthermore, we study the ultrafast electron dynamics in tunnel ionization and dynamical Bloch oscillation within sub-cycle temporal resolution. Our study advance current understanding of the strong-field processes leading to coherent radiation in solids.

高次谐波产生是研究阿秒时间分辨动力学和原子分子轨道结构成像的基础。近期固体非微扰高次谐波产生的实验研究，开启了强场固体物理研究的新时代。固体高次谐波产生对于发展利用全光手段捕捉固体能带的瞬态分布信息，利用强场探测和调控固体内部电子超快动力学和基于固态介质强阿秒脉冲光源等都具有重要的意义。然而，目前为止固体高次谐波产生的物理机制仍备受争议。因此本项目正是针对强场固体物理这一崭新研究领域中的关键科学问题提出的，对双色场驱动下固体高次谐波和太赫兹波协同产生的物理机制进行探索性研究，利用泵浦-探测技术揭示固体隧穿电离和动态布洛赫振荡动力学的亚光学周期时域特性。该研究对于深入理解强场驱动固体量子相干辐射的微观动力学机制有重要意义。

项目围绕强激光驱动固体高次谐波和太赫兹同步辐射的理论进行研究，通过发展处理强场驱动固体的含时理论方法，结合从太赫兹皮秒波到极紫外阿秒脉冲的多谱段多时间尺度优势来研究固体的强场响应，实现了固体结构、能带及电子空穴动力学的全光探测。利用偏振平行双色场驱动固体结构，研究了高次谐波和太赫兹波强度随双色场相位延迟和晶体取向的依赖关系，揭示了强场驱动固体相干辐射的物理机制。首次提出利用太赫兹调控强场驱动固体高次谐波产生，有效的扩展了平台区的截止频率，为固体阿秒光源的产生提供了新思路，同时通过太赫兹调控偶次谐波辐射提取了电子布洛赫运动信息。利用垂直偏振双色场驱动二维材料的高次谐波产生，首次实现了基于高次谐波产生对固体中双中心干涉效应的研究，推动了固体高次谐波成像技术的发展，同时为偏振可调的固体紫外光源制备提供了可行方案。在该项目资助下，发表SCI论文9篇，其中Nature Communications 1篇，Ultrafast Science 1篇。