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原子分子中典型的电子运动的时间尺度为几百个阿秒(1阿秒=10-18秒)。目前,一些实验已经证明通过超短超强激光脉冲可以实现对阿秒电子运动的控制。原因在于在强场下,强激光脉冲驱动的非线性过程高度依赖于脉冲的电场,因此人们可以通过控制电场的频率、振幅、位相以及偏振特性来直接控制强场中电子的运动。
获得新波长的相干光源是激光器发明以来激光科学研究的一个重要课题。尤其是对X射线波段相干光源的探索更是经久不息。1987年高次谐波辐射的发现为相干X射线光源的研究注入了一股新鲜血液,并带来了勃勃生机。尤其是近十几年来,世界上各个著名的实验室纷纷加入到强激光场高次谐波辐射研究的队伍中,使高次谐波辐射成为强场物理领域最激动人心的研究课题之一。高次谐波辐射源自隧道电离的电子与母核的再复合过程。在这个过程中,隧道电离高度非线性依赖于激光的电场强度,其对精确控制电子在激光场中的运动起了十分重要的作用。目前,利用周期量级超短超强激光脉冲驱动惰性气体原子产生的高次谐波辐射已经成功地进入了“水窗”波段。强场高次谐波由于其辐射的规律性,为阿秒X射线相干脉冲的产生提供了现实的可能性。
本论文基于强场高次谐波辐射理论,开展了强场中电子动力学控制以及相干X射线发射的研究。我们理论上研究了单个阿秒X射线相干脉冲的产生,实验上产生并测量了阿秒脉冲链,主要成果如下:
1.理论上提出了一种利用双色偏振时间门激光场与惰性气体氦气相互作用辐射的高次谐波来产生亚100as的单个阿秒X射线相干脉冲的方法。在数值模拟中,我们获得了谱宽为150eV的超连续谐波光谱。对该光谱进行反傅立叶变换,没有经过色散补偿就可以产生脉宽为96as的单个阿秒脉冲。
2.实验上产生并测量了350as的阿秒脉冲链。基于激光辅助XUV电离的原理,我们测量了随谐波和红外辅助激光之间的时间延迟变化的电子能谱图。通过采用cos函数拟合边带的变化,得到了第17次到第23次这四个谐波的位相。根据测量结果,可以得到这四个谐波相位的线性啁啾率,约为0.0182fS-2,将其反演到时域可以得到脉宽约为350阿秒的阿秒脉冲链。