文摘
相对论表面高次谐波,使用偏振控制相结合,提出一个有前途的路线对强烈的单一的阿托秒脉冲。然而,他们对激光超高对比度和实施严格要求限制大强度损失在现实实验。这里,我们数值表明,通过设置一个最佳时间延迟的偏振控制方案,生成单阿托秒脉冲的强度可以成为约100倍,nonoptimal相干同步辐射过程中的时间延迟。当petawatt-class驱动激光之中一个坚实的目标,一个超密度的电子nanobunch和强大的出发鞘开发和积累的静电能量只有一半的激光释放周期当这个电子nanobunch向后移动。这个过程导致强烈的高次谐波发射。我们的研究提供了一种可靠的方法对发展中明亮的阿托秒极端紫外脉冲。
1。介绍
谐波生成(从一个超强激光作用下坚定的目标相互作用已被证明是一个重要的方法产生明亮的连贯的极端紫外线和x射线(1- - - - - -3]。代的阿托秒脉冲列车在固体表面最近也被证实实验(4,5]。此外,相干后排放(CWE) [3,4,6,7)和相对论摆动镜(ROM) (1,8- - - - - -14)模型成功地描述激光强度的high-harmonics生成过程我< 和我> ,分别。近年来,nanobunching相对论电子已被确认负责相干同步辐射(CSE) [15- - - - - -18]。另一个理论相对论电子弹簧(靓)也被提出19]。CSE模型中,致密纳米束激光和等离子体的电子加速领域相对轨迹辐射高频光。最广泛的调查方案罗机制,因为相对论多普勒换高速档。镜子反射光的周期性振荡由广泛的谐波频谱。对于正常的发病率,等离子体振荡是由入射激光脉冲的洛伦兹力和charge-separation-induced静电字段。与线偏振激光脉冲,洛伦兹力的变化 ,在哪里 是归一化向量的潜力。对于圆偏振脉冲,这个力的形式 。因此,展品没有快速振荡,创建一个平滑的密度抑郁,不允许产生谐波。
关键要求有效的谐波发生高强度激光系统的有效控制激光脉冲的纯度,以避免任何影响基座的目标。已经证实,高次谐波时最有效的最优preplasma标尺长度(0.05<l年代< 0.2 )介绍(3,20.,21]。在这种情况下,一个超高激光相比,通常高于10−10需要,构成了强大的实验挑战目前的高功率激光设备(22]。因此,应该找到一个可行的方法放松preplasma规模上的严重要求长度。
一般来说,长时间范围内的存在,nonstep-like preplasma前面的目标将会显著降低谐波的连贯性和转换效率。为了避免这种不利影响,得到单一的阿托秒脉冲,可以使用carrier-envelope few-cycle激光脉冲相位稳定或者使用更长的脉冲偏振控制,一个众所周知的技术一般应用于气相作用。然而,在高次谐波(开创性工作对偏振控制等离子体23的密度梯度标尺长度),plasma-vacuum接口没有考虑,这将对等离子体作用下产生重大影响。
不同的偏振控制技术提出了many-cycle激光脉冲,遭受巨大的强度损失(23- - - - - -25]。最近,noncollinear偏振控制(25)已经证明,这是比传统的偏振控制[更简单、更实用23,24]。对于一个给定的门,脉冲的振幅线性地区小当使用偏振控制的脉冲持续时间更长。然而,大部分的能量不能被利用圆偏振部分。
在本研究中,我们将讨论使用多周期的驱动脉冲的产生强烈的高次谐波,结合偏振控制方案(图1),甚至在nonoptimal plasma-scale-length条件。高次谐波从激光等离子体相互作用的效率的提高可通过利用偏振控制方案,从而导致经济衰退的电子preplasma由于激光的压力。随后,一个超密度的电子群和强大的静电势形成,导致强烈的CSE。验证,偏振门技术由一个多周期的激光可以用来开发一个强烈的极端紫外线源有效地在激光系统中相对较低。我们的研究结果也适用于noncollinear偏振控制(25]。noncollinear浇注方案,另一个noncollinear浇注术语出现的波阵面旋转由于noncollinearity两束将介绍。但如果角γ每一半光束的波前与中心轴很小(γ< < 1),旋转波前的影响可以忽略。
(一)
(b)
(c)
2。方法
偏振控制(23,26,27)是由结合两个相同颜色,反向旋转,和圆偏振多周期的高斯激光脉冲之间有一定的时间延迟,如图1(一)。这个脉冲具有时间椭圆率。打开门近线性极化当两脉冲强度相似。场振幅峰值E0,载波频率ω在半峰,宽屏(应用脉冲持续时间τ,carrier-envelope阶段φ是相同的两个脉冲时,它们之间的时间延迟在哪里吗Td。左和右圆偏振的电场脉冲的传播x方向,分别
合并后的电场 。的椭圆率被定义为轻度和重度轴的比值的电场矢量椭圆, ,和椭圆率随时间的演化是由(23]
椭圆率阈值为0.4,是由控制时间
在极化椭圆率演化控制不同的相对时间延迟如图2(一个)。当Td接近脉冲持续时间、浇注时间大约是一个激光周期,孤立的阿托秒脉冲可以通过过滤掉低频。相对延迟会影响门宽度、强度和偏振度的线性偏振激光在城门口宽度。我们执行particle-in-cell (PIC)模拟与动力学代码时代(28研究谐波发生在相对论激光与物质交互等离子体。两个反向旋转CP高斯脉冲(归一化强度一个=eE0/米ecω0)被用作驱动脉冲的频率(= 800海里)和copropagatedx方向。两个脉冲持续时间都有一个的半最大值宽度τ6T0,在那里= 激光时期和吗c光速在真空。它们之间的时间延迟是0时,线性偏振激光形成。在下面的模拟,两个圆偏振激光均由两个线性偏振激光脉冲的强度相等但不同的两极分化:一个是另一个偏振正交π/ 2移相叠加,这样他们可以形成一个圆偏振脉冲。因此,在不同的时间延迟,入射激光的总能量保持不变。固体目标被认为是完全电离,它包含一个厚板 和一个指数级下降preplasma规模的长度 ,在哪里nc=/代表临界密度,米e和e分别是电子的静止质量和电荷。激光持续时间和等离子体密度是相同的为一维(1 d)和二维(2 d)模拟。对于一维仿真,网格尺寸dx=λl1000 / 2000,每个单元格包含宏观粒子。离子被视为一个中和固定背景。而对于二维仿真,网格尺寸dx= dy=λl100 / 800,每个单元格包含宏观粒子。反射的发射光谱测定的时间分辨的傅里叶变换反映在真空间隙电场。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(我)
(j)
(k)
(左)
3所示。结果与讨论
我们首先澄清造成的电子密度改性有质动力的前沿激光与目标交互。受到光压力,电子在preplasma推向目标,形成一个electron-depleted层。因此,电子密度鞘形成vacuum-plasma接口的位置,和电子密度可以大大压缩到几个纳米(图2 (b))。在这个阶段,纵向电场组件生长直到静电力开始回落。电子堆积在一个狭窄的区域光压力的影响,以及电荷分离场之间形成的薄层离子和电子nanobunches在目标表面。宽度和数量密度的依赖的电子群preplasma长度和延时出现在数据规模2 (d)和2 (g);如图所示,增加preplasma标尺长度或时间延迟,最短的宽度电子nanobunch一直保持2 nm左右,而电子数密度趋于减少,更明显的图2 (d)。因此,数据2 (e)和2 (h)显示效率的变化的谐波发生preplasma标尺长度和时间延迟,分别。可以看出,谐波的进化效率与nanoelectron层密度的变化是一致的数据2 (d)和2 (g)。图2 (j)显示宽度和电子数密度的依赖性nanobunch入射激光强度,而图2 (k)给出了谐波生成和入射激光的效率之间的关系强度。随着激光强度的增加,电子数密度的nanobunch将增加,而其最短宽度显示没有显著变化。这是类似于场景中改变preplasma标尺长度和时间延迟,谐波发生效率会增加激光强度加强,这再次验证之间存在明显的正相关谐波发生效率和电子数密度的层。因此,我们可以合理地得出这样的结论:高电子密度有利于连贯和强辐射。由于电子运动的相对论性特征,流离失所的电子可以重发射能量当电子传播回到边界,从而压缩了再发射到一个阿托秒破裂。强烈的极端紫外脉冲发射当入射激光的线性极化达到目标表面。
图2 (c)介绍了时序脉冲的形状强度经过带通滤波器(30∼100)。封闭的阿托秒脉冲的数量(只的脉冲强度高于1 /e2峰值强度的计算,可以代表的隔离度)和相应的峰值强度不同preplasma标尺长度,延迟,和入射激光强度分别提出了数字2 (f)- - - - - -2(左)。结果显示在图2 (f),阿托秒脉冲的数量提高规模增加preplasma长度,而短preplasma标尺长度更有利于获得孤立阿托秒脉冲。在图2(我)阿托秒脉冲的数量和强度都显示,逐步减少在时间延迟(因此更短的闸门时间),激光强度,可以看到在图2(左)封闭的阿托秒脉冲的强度大约痕迹与驱动激光强度指数,而隔离的程度似乎不那么敏感,激光强度变化。
目前的工作计划我们提出检查在不同的激光等离子体参数。在图3,我们计算等离子体标尺长度的影响Ls和时间延迟Td高阶谐波发射从1 d PIC模拟。结果中的谐波范围从10到20(图3(一个)),从20到100(图3 (b)提出了)。从这些结果,我们也可以看到,当preplasma标尺长度太长(Ls> 0.4λl),谐波效率将保持低位不管的相对时间延迟。但这效率将成为敏感温和时的延迟长(Ls< 0.4λl)preplasma标尺长度。此外,在大preplasma标尺长度(超过0.2λl),最优延迟似乎也增加。从数据2 (f)和2(我)和数字3 (c)和3 (d),我们可以得出这样的结论:短preplasma标尺长度和短门宽度都是有利于孤立阿托秒脉冲的产生。
(一)
(b)
(c)
(d)
在图4,我们比较两种截然不同的PIC模拟结果分别时间延迟:16fs(门宽度是一个激光周期)Td= 0(线性偏振激光),而其他参数设置为入射角 ,一个= 10,l年代= 0.2λl。相应的结果在这两个时间延迟左(16所示fs)和右列(Td= 0)在图4,分别。数据4(一)和4 (d)描述电场演进的激光脉冲在这两种情况下,内部的反射场的振幅超过(传入的字段Ey高达30%,而为Ez16日,它是90%)fs场景图4(一)。我们知道,不同激光强度下,谐波发生效率是非常不同的,不存在简单的线性相关性的效率谐波生成和入射激光的强度。因此,在的行为存在显著差异Ey和Ez。这只是1 d模拟的结果中,等离子体的影响削弱无法观察到的电场。曲面也可以提高入射激光(29日]。这将是更加明显在长preplasma规模。反射的脉冲将空间集中,导致更强的磁场强度的差异一定程度上也会增加。阿托秒脉冲散度家属表面等离子体的影响随着时间的推移这并不是不变的。然而,在我们的例子中,我们只关注少数连续脉冲的脉冲序列。因此,散度不应发生显著的变化。由于电子运动的相对论性特征,流离失所的电子空间压缩到一个高密度超薄层(图2 (b)),它可以重发射能量传播回到边界时,再发射,从而压缩到一个大的阿托秒破裂比入射光的电场振幅。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
相应的谐波谱图所示4 (b)和4 (e),虚线标志着普遍的扩展 预测的Baeva-Gordienko-Pukhov(东方)10]。在这两种情况下,谐波谱仍接近 标度律,这也意味着零的存在在等离子体表面电子的横向动量。有一些模糊的谐波谱结构在线性偏振观测。偏振控制方案,谐波谱结构更明显,尤其是对更高的订单。时频分析高次谐波所示的数据4 (c)和4 (f)内发出,所有频率的一小部分驱动激光时期和火车的阿托秒脉冲发射极化控制方案。但是,我们未能获得孤立阿托秒脉冲。因此,最优延时长preplasma时仍然等待被发现。phase-locking-attosecond脉冲在不同时期的叠加导致综合谐波频谱。然而,阿托秒脉冲之间的相位生成不同时期不可避免地会伴随着唧唧,相位波动,这将降低阿托秒脉冲的时间相干性在许多周期(图生成4 (f)比中产生更少的周期(图)4 (c))。同时,由此产生的锁相谱明显不如偏振控制方案。
图5(一个)显示了电子密度与纵向覆盖Jx(x,t)电流密度组件。仿真参数和图一样4(一)。在这里,这些水流表现出周期性的特点,在某种意义上,他们在每个激光进行纵向振动两次。这个明显的规律性出现的电子运动周期的单粒子的水平。图5 (b)表明,谐波脉冲发射在阿托秒脉冲序列的形式,有两个阿托秒脉冲发射/光学激光场的循环。它是有效地释放的时刻电子的纵向动力达到最大值。这些结果表明,该机制是依照γ斯派克罗的模型。
(一)
(b)
结果在图6是基于2 d图片模拟,相同的假设总激光能量(使用相同的激光和等离子体数量的1 d模拟、焦斑的横向尺寸(应用)是7.5λl)。针对preplasma标尺长度在即将到来的实验(例如,Ls= 0.2λl),我们有全面的效率相比谐波生成和隔离的阿托秒脉冲在不同程度延误。在所有的情况下,单一的阿秒后可以获得频率过滤通过选择30日第100次谐波订单,我们观察到显著增加和调制的谐波频谱,如图6(一)(红线)通过适当的时间延迟(6fs)。这个结果揭示了复杂的等离子体动力学,尚未观察到类似的研究(23]。具体来说,我们发现了一个最优时滞存在于偏振控制当preplasma介绍相对较长。频谱下降时更慢,显示更清晰的谐波结构Td选为6fs在我们的例子中,高次谐波与最佳延时的强度可以增加了大约100次相比与其他nonoptimal延时(高次谐波强度也在这里,12fs延迟,闸门时间短,通常会产生单一的阿托秒脉冲更有效)。光谱是非常不同的边界网关协议模型。有效的作用下从相对论性等离子体镜需要(i)纵向电子速度达到最大值,(ii)与此同时,横向电子动量达到最小值。延迟调整时,门宽度、强度和时变椭圆率的激光门宽度也将改变。高次谐波效率之间的差异可以归因于不同的延迟情况下相位差和场强,从而导致不同的等离子体动力学。在宏观层面,光谱不再表现为普遍的衰减指数p= 8/3,或者其他人。现在有一个明确的在频谱图6(一)为中心,n=∼50。从以前的出版物20.)和图的结果2 (e)规模,优化等离子体长度在我们的案例中是0.1∼λl。此外,从图6(一),我们可以看到,存在一个最佳的时间延迟,即使在较长的等离子标尺长度(在这里,我们选择0.2λl为例)的频谱谐波结构仍然是清晰的,其强度也增强,表明这个过程适用于较长的长度比典型的最优规模。因此,它打开的可能性放松preplasma规模上的严重要求长度。对于polarization-gated脉冲,表面振荡是高度抑制在圆偏振。等离子体影响效应,如前所述,也观察到。此外,在数字6 (b)和6 (c)火车,观察阿托秒期间释放的电子串是互动的。它应该来自上述电子nanobunch和显示了一些与电子成团过程相似30.在自由电子激光。
(一)
(b)
(c)
数据7(一)和7 (b)现在的电子密度的不同时空演进,对应两个不同的延迟在图6(一),在Ls= 0.2λl。结果表明,一群更有活力的电子形成和走向入射激光的时候Td是6fs。这表明主导辐射产生的强大的同步加速器发射ultra-relativistic电子群,这发生在压缩超密度nanobunch电子向后移动并加速到最大纵向速度的结合领域出发场和激光场。这表明可以提高谐波发生在一个最佳的时间延迟。有效CSE只能局限于发生一次周期峰值附近的激光强度。在l年代= 0.2λl和Td= 6fs阿托秒脉冲轮廓如图7 (c)从反射的字段过滤间隔30 <ω/ω0< 100年。图7 (d)显示了一个放大的阿托秒脉冲包络线拟合(红色),大约160阿秒脉冲持续时间是哪里的半最大值宽度。其归一化强度提高了∼80,对应1.7×1020.W /厘米2。这些结果显示潜在的多周期的激光脉冲产生孤立和明亮的阿托秒极紫外和软x射线脉冲。
(一)
(b)
(c)
(d)
产生强烈的高次谐波的能力与偏振控制尤为重要,因为它表明相对论表面高谐波不仅提高转换效率,也更少的严格要求驾驶领域,使相对论表面高谐波结合偏振控制的非常有前途的来源明亮的阿托秒极紫外和软x射线脉冲。该方案是健壮的,很快就可以用petawatt-femtosecond激光测试实验。
4所示。结论
我们已经提出了大量particle-in-cell模拟,结果表明极化控制概念应用于相对论表面谐波生成可用于克服限制通常与preplasma规模相对较长长度有关。一个超密度的电子群和强大的静电势形成由于pondermotive入射脉冲,从而导致一个强大的相干同步辐射。我们演示了数字谐波的强度这一代从激光等离子体相互作用可以增强,同时保持相同的激光能量。具体地说,我们已经表明,偏振控制的时间延迟概念对谐波的一代是至关重要的。谐波产生的强度与最优时间延迟可以增加约100倍相比与其他nonoptimal时间延迟。这里提出的方案分明亮的阿托秒极端紫外脉冲生成由petawatt-class多周期的激光脉冲。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者要感谢国家超级计算中心在广州(NSCC-GZ)计算源。这项工作得到了国家自然科学基金(批准号。11922412,11922412,91950203),战略重点研究项目(B)(批准号XDB16)、关键前沿科学研究项目、中科院(批准号ZDBS-LY-SLH018),中国科学院青年创新促进会、中国博士后科学基金(批准号2021 m703329),上海试点基本调查中国人科学院、上海分公司。