利用共振等离子体激元对光场提高产生相干极紫外辐射研究

利用高次谐波法产生相干极紫外辐射在微小物体高分辨率成像、纳米尺度结构的制作、极紫外光谱学等方面的研究中有着非常重要的应用。现有高次谐波的产生必须依赖于飞秒激光放大系统。本研究利用纳米尺度的等离子体激元对激光光场具有共振提高效应这一物理现象，直接使用飞秒激光振荡器的输出与纳米尺度的金属结构列阵及惰性气体原子所组成的"复合靶"相互作用产生高次谐波。具体开展以下几方面的研究：1）利用有限差分时域法（FDTD）对飞秒激光照射一定形状的纳米结构发生共振时光场强度的空间分布进行模拟计算。探寻最佳微结构和激光参数，得到等离子体激元最大共振效应的条件。2）利用电子束光刻法制作结构小于100nm的金属列阵样品。3）建立相应的高次谐波产生实验装置。4）利用该实验装置及飞秒激光振荡器获得波长短于50nm高次谐波。5）进一步利用飞秒光参量振荡器的闲频输出(2200-3000nm)获得13 nm附近相干极紫外辐射。

利用等离子体激元对光场的放大效应产生相干极紫外辐射（高次谐波）是一项非常具有挑战性的前沿课题。为了利用等离子激元对光场共振放大效应对气体原子或分子系统所产生的高次谐波进行控制，本项目开展了超快激光等条件因素对谐波谱截止位置及转化效率的影响研究。发现在一定位相差的双脉冲的作用下，高次谐波谱可出现双平台结构；同时可通过控制双脉冲间的关系，可使谐波平台截止频率附近的转换效率被选择性地增强或使谐波谱整体效率得到明显的提高。对Bow-tie金结构及双金属银/金球等典型纳米结构的光场增强效果进行了系统的优化，研究结果表明：这两种纳米金属结构均能使入射光场的强度获得较大幅度的提高，即可实现增强后的光场高于谐波产生的阈值光场强度的目标。利用电子束光刻技术，在宝石的衬底上成功制备出对角间距小于30纳米的Bowtie金结构样品。建立了用于产生高次谐波的真空及光谱测量实验装置，采用脉宽为7fs、重复频率为350MHz飞秒激光振荡器，利用金纳米bowtie结构和气体氮组成的复合靶，在30-50 nm 的波长范围内，得到了具有明显高次谐波特征的极紫外光谱图。