La alta generación de armónicos ( HHG ) es un proceso no lineal durante el cual un objetivo (gas, plasma, muestra sólida o líquida) se ilumina mediante un intenso pulso de láser. En tales condiciones, la muestra emitirá los armónicos altos del haz de generación (por encima del quinto armónico). Debido a la naturaleza coherente del proceso, la generación de armónicos altos es un requisito previo de la física de attosegundos.
Generación de armónicos perturbativos
Generación de armónicos perturbative es un proceso por el que la luz láser de la frecuencia ω y energía fotónica ħω se puede utilizar para generar nuevas frecuencias de luz. Las frecuencias recién generadas son múltiplos enteros nω de la frecuencia de la luz original. Este proceso fue descubierto por primera vez en 1961 por Franken et al., [1] utilizando un láser de rubí , con cuarzo cristalino como medio no lineal .
La generación de armónicos en sólidos dieléctricos se comprende bien y se usa ampliamente en la física láser moderna (consulte la generación de segundo armónico ). En 1967 New et al. observó el primer tercer armónico de generación en un gas. [2] En gases monoatómicos solo es posible producir armónicos impares por razones de simetría. La generación de armónicos en el régimen perturbativo (campo débil) se caracteriza por una eficiencia rápidamente decreciente con un orden armónico creciente. [3] Este comportamiento puede entenderse considerando un átomo que absorbe n fotones y luego emite un solo fotón de alta energía. La probabilidad de absorber n fotones disminuye a medida que n aumenta, lo que explica la rápida disminución de las intensidades armónicas iniciales.
Desarrollo
La primera generación de armónicos altos se observó en 1977 en la interacción de intensos pulsos de láser de CO 2 con plasma generado a partir de objetivos sólidos. [4] El HHG en gases, cuya aplicación es mucho más generalizada en la actualidad, fue observado por primera vez por McPherson y sus colegas en 1987, [5] y más tarde por Ferray et al. en 1988, [6] con resultados sorprendentes: se encontró que los armónicos altos disminuían en intensidad en órdenes bajos, como se esperaba, pero luego se observó que formaban una meseta, con la intensidad de los armónicos permaneciendo aproximadamente constante en muchos órdenes. [7] Se han medido armónicos de meseta que abarcan cientos de eV y que se extienden al régimen de rayos X suaves . [8] Esta meseta termina abruptamente en una posición llamada corte armónico alto.
Propiedades
Los armónicos altos tienen varias propiedades interesantes. Son una fuente de mesa sintonizable de XUV / rayos X suaves, sincronizados con el láser de conducción y producidos con la misma tasa de repetición. El armónico de corte varía linealmente con el aumento de la intensidad del láser hasta la intensidad de saturación I senté donde se detiene la generación de armónico. [9] La intensidad de saturación puede aumentarse cambiando las especies atómicas a gases nobles más ligeros , pero estos tienen una menor eficiencia de conversión, por lo que hay que encontrar un equilibrio en función de las energías fotónicas requeridas.
La alta generación de armónicos depende en gran medida del campo láser impulsor y, como resultado, los armónicos tienen propiedades de coherencia temporal y espacial similares. [10] Los armónicos altos a menudo se generan con duraciones de pulso más cortas que las del láser de activación. [11] Esto se debe a la no linealidad del proceso de generación, el emparejamiento de fases y la ionización . A menudo, los armónicos solo se producen en una ventana temporal muy pequeña cuando se cumple la condición de adaptación de fase. El agotamiento de los medios generadores debido a la ionización también significa que la generación de armónicos se limita principalmente al borde de ataque del pulso impulsor. [12]
Los armónicos altos se emiten colinealmente con el láser impulsor y pueden tener un confinamiento angular muy estrecho, a veces con menos divergencia que la del campo fundamental y perfiles de haz casi gaussianos. [13]
Enfoque semiclásico
La máxima energía fotónica producible con alta generación de armónicos viene dada por el corte de la meseta armónica. Esto se puede calcular de manera clásica examinando la energía máxima que el electrón ionizado puede ganar en el campo eléctrico del láser. La energía de corte viene dada por; [14]
donde U p es la energía ponderomotriz del campo láser e I p es el potencial de ionización .
Esta derivación de la energía de corte se deriva de un cálculo semiclásico. El electrón se trata inicialmente de forma mecánica cuántica a medida que se ioniza en túnel desde el átomo original, pero luego su dinámica posterior se trata de forma clásica. Se supone que el electrón nace en el vacío con una velocidad inicial cero y que posteriormente es acelerado por el campo eléctrico del rayo láser .
Medio ciclo óptico después de la ionización, el electrón invertirá la dirección a medida que cambia el campo eléctrico y acelerará de regreso hacia el núcleo principal. Al regresar al núcleo principal, puede emitir radiación similar a la de Bremsstrahlung durante un proceso de recombinación con el átomo cuando regresa a su estado fundamental . Esta descripción se conoce como el modelo recollisional de alta generación de armónicos. [15]
Dado que la frecuencia de la radiación emitida depende tanto de la energía cinética como del potencial de ionización, las diferentes frecuencias se emiten en diferentes tiempos de recombinación (es decir, el pulso emitido suena ). Además, para cada frecuencia, hay dos tiempos de recombinación correspondientes. Nos referimos a estas dos trayectorias como la trayectoria corta (que se emiten primero) y la trayectoria larga.
Algunos límites interesantes en el proceso de HHG que se explican en este modelo muestran que HHG solo ocurrirá si el campo del láser impulsor está polarizado linealmente. La elipticidad en el rayo láser hace que el electrón que regresa pierda el núcleo principal. Mecánicamente cuántica, se reduce la superposición del paquete de ondas de electrones de retorno con el paquete de ondas nucleares. Esto se ha observado experimentalmente, donde la intensidad de los armónicos disminuye rápidamente al aumentar la elipticidad. [16] Otro efecto que limita la intensidad del láser impulsor es la fuerza de Lorentz . A intensidades superiores a 10 16 Wcm −2, el componente magnético del pulso láser, que se ignora en la óptica de campo débil, puede volverse lo suficientemente fuerte como para desviar el electrón que regresa. Esto hará que "pierda" el núcleo principal y por lo tanto evitará la HHG.
Emparejamiento de fase
Como en todos los procesos no lineales , la adaptación de fases juega un papel importante en la generación de altos armónicos en la fase gaseosa. Las cuatro causas del desajuste del vector de onda son: dispersión neutra, dispersión de plasma, fase Gouy y fase dipolar. [17] [18]
La dispersión neutra es causada por los átomos mientras que la dispersión del plasma se debe a los iones, y los dos tienen signos opuestos. La fase Gouy se debe al salto de fase del frente de onda cerca del foco y varía a lo largo de él. Finalmente, la fase dipolar surge de la respuesta atómica en el proceso de HHG. [19] [20] Cuando se utiliza una geometría de chorro de gas, las condiciones óptimas para generar altos armónicos emitidos a partir de trayectorias cortas se obtienen cuando el gas generador se ubica después del foco, mientras que la generación de altos armónicos a partir de trayectorias largas se puede obtener fuera del eje. cuando el gas generador se encuentra antes del foco. [21]
Además, la implementación de una geometría de enfoque flexible para el campo de conducción permite que un mayor número de emisores y fotones contribuyan al proceso de generación y, por lo tanto, mejoren el rendimiento armónico. [22] Cuando se usa una geometría de chorro de gas, enfocar el láser en el disco de Mach puede aumentar la eficiencia de la generación de armónicos. [23]
Ver también
- Física de attosegundos
- Óptica no lineal
- Fotoionización
- Generación resonante de armónicos altos a partir de plumas de plasma abladas con láser
Referencias
- ^ PA Franken, AE Hill, CW Peters y G. Weinreich, Phys. Rev. Lett. 7, 118 (1961).
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enlaces externos
- Sistemas láser EUV comerciales con fuentes de alta generación de armónicos a escala de mesa de KMLabs