電子波包擴散速度的測量裝置和測量方法

專利名稱：電子波包擴散速度的測量裝置和測量方法
技術領域：
本發明涉及強場激光物理，特別是一種電子波包擴散速度的測量裝置和測量方 法，這對于理解強場物理中電子波包的演化以及電子的微觀動力學具有重要的意義。
背景技術：
自從1960年第一臺紅寶石激光器問世以來，激光作為一種高亮度、高相干性、高 準直度的光源，為人們的日常生活及科學研究提供了強有力的工具。在此后的幾十年間， 激光技術獲得了長足的發展，脈沖激光器的出現為人們提供了強度更高、時間分辨尺度更 短的激光光源，從而推動了強場領域、微觀超快領域、生物學研究領域的迅猛進展。脈沖激 光光源的輸出脈寬越來越窄，脈寬從最初的微秒到飛秒，甚至到現在的阿秒，這使得科學研 究能夠深入到更快的微觀動力學過程，如內殼層電子弛豫、光隧道電離等等。阿秒科學的 發展使人們對超快物理過程的研究進入了一個全新的階段。另外，激光脈沖在時間尺度上 的縮短大大地增加了激光的功率密度，為強場物理的研究提供了有力的工具。高次諧波產 生(以下簡稱 HHG)(參見文獻 A. Scrinzi，M. Ivanov,R. Kienberger and D. Μ. Villeneuve, J. Phys. B Vol. 39，Rl，2006 和F. Krausz and Μ. Ivanov,Rev. Mod. Phys. Vol. 81,163, 2009), 作為激光物理中一個新興領域，引起了人們的廣泛興趣。幾乎所有的高次諧波實驗所得到的諧波譜都表現出同一個特征隨著諧波級次的 增加，低次諧波效率單調快速下降，緊接著出現了 一個所謂的“平臺”，在平臺區內，諧波的 強度隨諧波級次的增加下降得非常緩慢，在該平臺區末端的某一個級次諧波附近，諧波強 度迅速下降，出現截止。由此，高次諧波譜分為平臺區和截止區，參見圖3。P. B. Corkum在1993年提出的半經典模型(參閱文獻P. B. Corkum, Phys. Rev. Lett. Vol. 71，1994，1993)直觀而有效地描述了 HHG過程，這一過程分為以下三步第一步，束縛勢壘在強激光場的作用下發生變形，部分電子隧道電離(HHG主要集 中在這一電離機制范圍內)；第二步，電離之后的自由電子(忽略原子勢場)被激光場加速，獲得動能；第三步，部分電子在電場中獲得能量以后，又會被電場拉回，與母離子復合，輻射 出相應能量的光子。上述半經典的三步模型一方面預言了高次諧波的截止能量滿足如下關系:Ecutoff =Ip+3. 17UP，其中Up = 9. 33 X IO14I0 λ 2為有質動力勢能，Ip為原子的電離勢，單位為eV，I0 為激光峰值強度，單位為W/cm2，λ為激光波長，單位μ m;—方面解釋了高次諧波產生過程 對激光偏振度的高度敏感性。在橢圓偏振的強激光場作用下，發生隧道電離的電子在光場 中運行一段時間返回時，相對母離子發生橫向偏移，從而導致電子與離子的復合率降低，諧 波效率顯著下降(參閱文獻 P. Dietrich, N. H. Burnett, Μ. Ivanov, and P. B. Corkum, Phys. Rev. A Vol. 50, R3585，1994)。根據量子力學理論，電離的電子在光場中傳輸會發生波包擴 散，電子波包的大小取決于其擴散的速度以及在光場中的運行時間。電子波包的中心相對 于母離子的橫向偏移與電子波包擴散是一個相互補償的過程，當電子波包中心相對于母離子的橫向偏移超過電子波包的大小時，電子與母離子復合幾率急劇下降，高次諧波強度迅 速減弱。可見，HHG對激光場橢圓偏振度的敏感性與電子波包動力學密切相關。另外，不同 波長的激光場對應不同的電子波包演化，這樣HHG對激光場橢圓偏振度的敏感性與激光波 長密切相關。因此，測量激光波長與HHG的偏振依賴的關系，為探測強場物理中的電子波包 動力學提供了有力工具。

發明內容
本發明旨在提供一種電子波包擴散速度的測量裝置和測量方法，該測量裝置和測 量方法具有簡單而且更有效的特點，這對于理解強場物理中電子波包的演化以及電子的微 觀動力學具有重要的意義。本發明的核心思想是高次諧波產生對激光橢圓偏振度的敏感性與電子波包動力 學過程有關，而電子波包的演化與激光波長有關，利用測定高次諧波頻譜，篩選高次諧波頻 譜產生的激發激光波長的橢圓偏振依賴與激光波長的關系，以計算電子波包擴散的速度和 不同激光波長對應的電子波包大小。本發明的技術解決方案如下一種電子波包擴散速度的測量裝置，特點在于其結構包括啁啾脈沖激光系統和光 參量放大器，在所述的啁啾脈沖激光系統或者其泵浦的光參量放大器輸出的飛秒激光光路 上依次設置四分之一波片、平凸透鏡、高次諧波靶室和軟X射線光柵光譜儀，所述的啁啾脈 沖結構系統輸出波長為800nm的飛秒激光，經由SOOnm高反鏡導入到所述的高次諧波靶室 的輸入光路，移除所述的SOOnm高反鏡后，所述的光參量放大器在所述的啁啾脈沖激光系 統的泵浦下，輸出波長在1200 2400nm連續可調的飛秒激光進入所述的高次諧波靶室的 輸入光路，所述的四分之一波片根據測量所述的飛秒激光的波長而選定，并固定在高精密 電動旋轉盤的中心，所述的平凸透鏡安裝在一臺可沿激光束方向移動的精密平移臺上，所 述的高次諧波靶室內具有氣體盒，該氣體盒通過微調閥和氣路與工作氣體瓶相連，所述高 次諧波靶室和軟χ射線光柵光譜儀之間以插板閥相連，所述高次諧波靶室和軟χ射線光柵 光譜儀分別接有第一真空泵和第二真空泵，所述軟χ射線光柵光譜儀對所述的飛秒激光與 所述的氣體盒內的工作氣體作用產生的高次諧波頻譜進行探測。所述的軟χ射線光柵光譜儀由鋁箔、軟χ射線反射鏡、狹縫、平場光柵和軟χ射線 CCD構成。所述的四分之一波片與所述的高精密電動旋轉盤共軸。一種利用上述電子波包擴散速度的測量裝置進行電子波包擴散速度測量的方法， 包括下列步驟①關閉高次諧波靶室與軟χ射線光柵光譜儀之間的插板閥，依次開啟與軟X射線 光柵光譜儀相連的第二真空泵和高次諧波靶室相連的第一真空泵，待所述的高次諧波靶室 與軟X射線光柵光譜儀的真空度均達到所要求的真空度后，打開所述的插板閥；②開啟所述的啁啾脈沖激光系統，輸出波長為SOOnm的飛秒激光，該激光經由三 塊SOOnm高反鏡導入到高次諧波靶室的輸入光路，在該光路上設置平凸透鏡，并將其安裝 在所述的精密平移臺上，調整移動該精密平移臺，使經過平凸透鏡的光束將氣體盒打穿并 使焦點位于所述的氣體盒的中心；
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③打開工作氣體瓶，旋轉微調閥向氣體盒中充入工作氣體，通過所述的軟χ射線 光柵光譜儀的軟X射線CCD探測高次諧波頻譜，同時調節氣體盒的工作氣壓、激光焦點相對 于氣體盒的位置以及所述飛秒激光的功率和啁啾，使具有一定峰值強度的SOOnm的飛秒激 光與所述的氣體盒中工作氣體相互作用，以獲得最高級次的諧波信號；④在所述的平凸透鏡前插入工作波長為SOOnm四分之一波片，將該波片固定在所 述的高精密電動旋轉盤的中心，旋轉該高精密電動旋轉盤帶動所述的四分之一波片繞著入 射光線轉動，以調節該四分之一波片的光軸與激光偏振方向的夾角，從而改變激光的橢圓 偏振度，原理上，當高次諧波信號最強時，激光為線偏振光，即橢圓偏振度為零，此時，該四 分之一波片的光軸的快軸或者慢軸與所述的飛秒激光的偏振方向重合，所述的四分之一波 片不改變激光束的偏振狀態，將此時所述的高精密電動旋轉盤相應的的角度記為零度，再 將高精密電動旋轉盤沿順時針或者逆時針方向轉動，直到所述的高次諧波信號完全消失， 這時高精密電動旋轉盤所對應的角度記為α，在(0，α)之間每隔一定的角度由所述的軟χ 射線CCD探測所述的波長為SOOnm的即λ ^高次諧波頻譜；⑤關閉所述的微調閥，待所述的氣體盒內的氣壓降為零，由所述的軟χ射線CCD探 測采集信號作為背景，將上述步驟采集的高次諧波頻譜減去背景信號，獲得去背景的高 次諧波頻譜；⑥移除所有SOOnm的高反鏡，將啁啾脈沖激光系統輸出的激光直接導入到所述的 光參量放大器作泵浦光，開啟所述的光參量放大器，獲得波長在1200 2400nm連續可調的 飛秒激光輸出，在所述的1200 2400nm選定η個待測的激光波長Xi，其中i = l，2，…， η ；將所述的SOOnm四分之一波片替換為中紅外波段寬帶四分之一波片；⑦選定飛秒激光波長為λ ”調節所述的光參量放大器輸出激光波長為λ工飛秒激 光，且使該λ工飛秒激光經所述平凸透鏡聚焦后的峰值強度與所述的SOOnm飛秒激光的峰 值強度相同，即激光波長λ工對應的高次諧波譜的截止能量E。ut。ff滿足如下關系E。ut。ff =
Ip+3. I7Up，其中UP CZp=WSxIO14VI12為有質動力勢能，15為原子的電離勢，單位eV，I0為
激光峰值強度，單位為W/cm2，X1為激光波長，單位μ m;重復步驟③④⑤的調節和測試環 節，獲得X1的高次諧波頻譜；⑧依次選定飛秒激光波長為Xi，其中i = 2，…，n，重復步驟⑦n-1次，依次獲得 相應的λ2，λ3，…，Ai,…，λ η的高次諧波頻譜；⑨對所述的激光波長入1，其中1 = 0，1，2，…，η的高次諧波頻譜，選定截止區內 某一級次的諧波，將該諧波對應的所有像素點的強度相加，作為該諧波的相對強度I，得到 選定諧波的相對強度I與所述的高精密電動旋轉盤轉動角度的關系，該高精密電動旋轉盤 轉動角度的正切值即為泵浦激光的橢圓偏振度ε，得到選定諧波的相對強度I與橢圓偏振 度ε的關系曲線，即I-ε關系曲線，從該曲線找出該諧波的相對強度下降到一半時對應的 激光橢圓偏振度的值Sl72(Xi)，其中i =0，1，2，···，!!，將所得的結果綜合之后獲得選定的 截止區諧波的橢圓偏振依賴ε1/2(λ)與激光波長Xi的關系曲線ε1/2-λ，用函數aXb擬 合該曲線，求得a的值，由高次諧波譜的截止區光子能量求得激光的最大振幅Etl，再由a = 2. 6 π 2mecVs/peE0計算電子波包擴散的速度Vs = apeE0/2. 6 π 2mec
和不同激光波長對應的電子波包半徑為心/2 =K.0.65；1^其中e，IV c分別為電子電荷、電子質量、光速，P 5. 7。本發明的基本原理如下在橢圓偏振的強激光場(云sE^Osil^fi^i + ^JOcosbOj)，E。(t)為光場的時
間包絡，ω為激光頻率，ε為光場的橢圓偏振度)作用下，發生隧道電離的電子在返回 時相對于母離子發生橫向偏移，其偏移量為P ε eh λ 2/me (2 π c)2 (參閱文獻P. Dietrich， N. H. Burnett, Μ. Ivanov, and P. B. Corkum, Phys. Rev. A Vol. 50，R3585,1994)。對于最大的 碰撞速度(相當于截止區諧波)，p 5. 7，因此為了便于對比不同激光波長的結果，我們只 考慮截止區的諧波的橢圓偏振依賴，相應地，E0為光場的最大振幅，因為高次諧波譜的截止 能量Ecut。ff = Ιρ+3· 17UP，Up = 9. 33X IO14Itl λ 2為有質動力勢能，Ip為原子的電離勢，單位 eV，、為激光峰值強度，單位為W/cm2，λ為激光波長，單位μπι。由高次諧波譜的截止能量 反推得到可得到激光的峰值強度Itl,光場的最大振幅盡《#。入為激光波長，e，tvC分別 為電子電荷、電子質量、光速，三者均為常數。此外，電子波包在激光場傳輸的過程中發生波 包擴散，擴散速度可以表示為^； = 4Ε0/(2Ιρ '2 (參閱文獻Α. Μ. Perelomov, V. S. Popov, and Μ. V. Terent' ev，Soy. Phys. JETP Vol. 24，207，1967)。因此，如果不同激光波長對應的峰值 強度(正比于Etl2)相同，對同一種原子，電子波包擴散速度將保持不變。這樣，不同激光波長 對應的電子波包大小正比于電子從隧道電離到與母離子復合所經歷的時間，對于截止區諧 波，該時間約為0.65 λ/c。可見，電子波包的大小與激光波長成正比。電子波包的中心相對 于母離子的橫向偏移與電子波包擴散是一個相互補償的過程，當電子相對于母離子的橫向 偏移等于電子波包的大小(半徑)時，諧波的強度將下降到峰值強度Itl的一半，此時，激光 的橢圓偏振度記為ε 1/2，相應的波包大小記為σ 1/2 = Vs ·0. 65 λ /c。由此可得，ρ ε 1/2eE0 λ 7 me(2Jic)2 = Vs 0.65X/c，即 ε 1/2 = (2. 6 Ji 2mecVs/peE0) ·λΛ 因此，用函數 a λ b 擬合截止 區諧波的橢圓偏振依賴42(~1，2，···《)與激光波長XiG = 1,2, ...η)的關系曲線，可求得 a禾口 b的值。如上所述，理論上，a = 2.6Ji2meCVs/peEQ，b =-1。因此，由擬合得到的a值以 及由高次諧波譜截止能量得到的Etl可以反推出電子波包擴散的速度Vs = apeE0/2. 6 π 2mec 以及不同激光波長對應的電子波包大小(半徑)<2=。0.65；1^(/=1,2，"間。本發明的技術效果本發明利用高次諧波產生對激光橢圓偏振度的敏感性與電子波包動力學過程的 關系，測定高次諧波頻譜，篩選高次諧波頻譜產生的激發激光波長的橢圓偏振依賴與激光 波長的關系，計算電子波包擴散的速度和不同激光波長對應的電子波包大小。本發明測量裝置和測量方法具有簡單而有效的特點，這對于理解強場物理中電子 波包的演化以及電子的微觀動力學具有重要的意義。


圖1為本發明電子波包擴散速度的測量裝置具體實施例的光路示意圖；其中1為啁啾脈沖激光系統，2為光參量放大器，3為SOOnm高反鏡，4為飛秒激 光，5為四分之一波片，6為平凸透鏡，7為高次諧波靶室，8為軟χ射線光柵光譜儀，9為高 精密電動旋轉盤，10為精密平移臺，11為氣體盒，12為微調閥，13為工作氣體瓶，14為插板閥，15為第一真空泵，16為第二真空泵，軟χ射線光柵光譜儀8由鋁箔17、軟χ射線反射鏡 18、狹縫19、平場光柵20、軟χ射線(XD21構成。圖2為測量電子波包擴散速度具體實施的數據處理流程圖。圖3為軟χ射線CXD測量的二維高次諧波頻譜的示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。先請參閱圖1，圖1為本發明電子波包擴散速度的測量裝置具體實施例的光路示 意圖。由圖可見，本發明電子波包擴散速度的測量裝置，其結構包括啁啾脈沖激光系統1和 光參量放大器2，在所述的啁啾脈沖激光系統1或者其泵浦的光參量放大器2輸出的飛秒 激光4光路上依次設置四分之一波片5、平凸透鏡6、高次諧波靶室7和軟χ射線光柵光譜 儀8，所述的啁啾脈沖結構系統輸出波長為SOOnm的飛秒激光，經由三塊SOOnm高反鏡3導 入到所述的高次諧波靶室7的輸入光路，移除所述的SOOnm高反鏡3后，所述的光參量放大 器2在所述的啁啾脈沖激光系統1的泵浦下，輸出波長在1200-2400nm連續可調的飛秒激 光進入所述的高次諧波靶室7的輸入光路，所述的四分之一波片5根據測量所述的飛秒激 光的波長而選定，并固定在高精密電動旋轉盤9的中心，所述的四分之一波片5與所述的高 精密電動旋轉盤9共軸。所述的平凸透鏡6安裝在一臺可沿激光束方向移動的精密平移臺 10上，所述的高次諧波靶室7內具有氣體盒11，該氣體盒11通過微調閥12和氣路與工作 氣體瓶13相連，所述高次諧波靶室7和軟χ射線光柵光譜儀8之間以插板閥14相連，所述 高次諧波靶室7和軟χ射線光柵光譜儀8分別接有第一真空泵15和第二真空泵16，所述 軟χ射線光柵光譜儀8對所述的飛秒激光與所述的氣體盒11內的工作氣體作用產生的高 次諧波頻譜進行探測。所述的軟χ射線光柵光譜儀8由鋁箔17、軟χ射線反射鏡18、狹縫19、平場光柵 20和軟χ射線(XD21構成。所述的啁啾脈沖激光系統1輸出波長為SOOnm的飛秒激光4，所述的光參量放大器 2輸出波長在1200-2400nm連續可調的中紅外飛秒激光脈沖4。800nm激光為水平偏振，中 紅外激光為垂直偏振。調節四分之一波片5的光軸(快軸或者慢軸)與激光偏振方向的夾 角，可以改變激光的偏振態，當兩者的夾角為0度時，四分之一波片不改變激光的偏振態， 當兩者的夾角為45度時，激光為圓偏振光，當兩者夾角在0度和45度之間時，激光為橢圓 偏振光，該角度的正切值定義為激光的橢圓偏振度，即橢圓的短軸方向的電場振幅與長軸 方向的電場振幅的比值。為了精確調節激光的橢圓偏振度，將四分之一波片置于高精密電 動旋轉盤9的中心，該旋轉盤9是中空的，可保證激光完全通過。值得注意的是，為了讓旋 轉盤9帶動四分之一波片5繞著入射光線轉動，要求兩者共軸。飛秒激光脈沖4經由平凸透鏡6聚焦到高次諧波靶室7中的氣體盒子11內，產生 高次諧波。為了調節激光焦點相對與氣體的位置，透鏡安裝在精密平移臺10上。氣體盒子 11由兩塊0. 1-0. 2mm厚的鋼片構成，鋼片由聚焦激光打穿后，第一真空泵15抽掉氣體盒11 內的空氣。打開微調閥12，向氣體盒11內充入工作氣體，微調閥12注入的氣體和第一真空 泵15抽出的氣體可達到動態平衡。通過微調閥12可以調節氣體盒子11內的氣壓。
高次諧波靶室7中產生的信號經由鋁箔17可以濾掉剩余的基波和低階諧波。高 次諧波的頻譜由軟X射線光柵光譜儀8中軟X射線CCD 21探測。為了降低熱噪聲，軟X射 線CCD21要求工作在低溫狀態。該軟χ射線CCD為二維陣列CCD，橫向顯示高次諧波光譜， 縱向顯示高次諧波的空間分布，如圖3所示。另外，高次諧波靶室7和軟χ射線光柵光譜儀8通過插板閥14相連。分別配有第 一真空泵15和第二真空泵16。特別需要注意的是，兩部分腔的體積不同，為了確保鋁箔17 不被沖破，抽真空時，需要關閉插板閥14。待抽到要求的真空度，采集信號時，才打開插板閥 14。利用上述的電子波包擴散速度的測量裝置進行電子波包擴散速度測量的方法，包 括下列步驟①關閉高次諧波靶室7與軟χ射線光柵光譜儀8之間的插板閥14，依次開啟與軟 X射線光柵光譜儀8相連的第二真空泵(16)和高次諧波靶室7相連的第一真空泵15，待所 述的高次諧波靶室7與軟χ射線光柵光譜儀8均達到所要求的真空度后，打開所述的插板 閥14 ；②開啟所述的啁啾脈沖激光系統1，輸出波長為SOOnm的飛秒激光4，該激光經由 三塊SOOnm高反鏡3導入到高次諧波靶室7的輸入光路，在該光路上設置平凸透鏡6，并將 其安裝在所述的精密平移臺10上，調整移動該精密平移臺10，使經過平凸透鏡6的光束將 氣體盒11打穿并使焦點位于所述的氣體盒11的中心；③打開工作氣體瓶13，旋轉微調閥12向氣體盒11中充入工作氣體，通過所述的軟 χ射線光柵光譜儀8的軟χ射線CCD21探測高次諧波頻譜，同時調節氣體盒11的工作氣壓、 激光焦點相對于氣體盒的位置以及所述飛秒激光4的功率和啁啾，使具有一定峰值強度的 SOOnm的飛秒激光與所述的氣體盒11中工作氣體相互作用，以獲得最高級次的諧波信號；④在所述的平凸透鏡6前插入工作波長為SOOnm四分之一波片5，將該波片固定 在所述的高精密電動旋轉盤9的中心，旋轉該高精密電動旋轉盤9帶動所述的四分之一波 片5繞著入射光線轉動，以調節該四分之一波片的光軸與激光偏振方向的夾角，從而改變 激光的橢圓偏振度，原理上，當高次諧波信號最強時，激光為線偏振光，即橢圓偏振度為零， 此時，該四分之一波片的光軸的快軸或者慢軸與所述的飛秒激光4的偏振方向重合，所述 的四分之一波片不改變激光束的偏振狀態，將此時所述的高精密電動旋轉盤9相應的的角 度記為零度，再將高精密電動旋轉盤9沿順時針或者逆時針方向轉動，直到所述的高次諧 波信號完全消失，這時高精密電動旋轉盤9所對應的角度記為α，在(0，α)之間每隔0.5 度由所述的軟χ射線CCD21探測所述的波長為SOOnm的λ ^高次諧波頻譜；⑤關閉所述的微調閥12，待所述的氣體盒11內的氣壓降為零，由所述的軟χ射線 CCD21探測采集信號作為背景，將上述步驟④采集的高次諧波頻譜減去背景，獲得去背景的 λ ^高次諧波頻譜；⑥移除所有SOOnm的高反鏡，將啁啾脈沖激光系統1輸出的激光直接導入到所述 的光參量放大器2作泵浦光，開啟所述的光參量放大器2，獲得波長在1200 2400nm連續 可調的飛秒激光4輸出，在所述的1200 2400nm選定η個待測的激光波長Ai，其中i = 1,2,…，η;將所述的SOOnm四分之一波片5替換為中紅外波段寬帶四分之一波片5，該四 分之一波片對所述的中紅外波段的激光波長都適用；
⑦選定飛秒激光波長為λ工，調節所述的光參量放大器2輸出激光波長為λ工飛秒 激光，且使該λ工飛秒激光經所述平凸透鏡6聚焦后的峰值強度與所述的SOOnm飛秒激光 的峰值強度相同，即激光波長X1對應的高次諧波譜的截止能量E。ut。ff滿足如下關系:Ecutoff =Ip+3. 17UP，其中CZp = WSxIO14VI12為有質動力勢能，Ip為原子的電離勢，單位eV，I。為激
光峰值強度，單位為W/cm2，X1為激光波長，單位μ m;重復步驟③④⑤的調節和測試環節， 獲得λ工的高次諧波頻譜；⑧依次選定飛秒激光波長為Xi，其中i = 2，…，n，重復步驟⑦n-1次，依次獲得 相應的λ2，λ3，…，Ai,…，λ η的高次諧波頻譜；⑨數據處理參見圖2，對所述的激光波長λ i，其中i = 0，1,2,…，η的高次諧波 頻譜，選定截止區內某一級次的諧波，參見圖3，將該諧波對應的所有像素點的強度相加，作 為該諧波的相對強度I，得到選定諧波的相對強度I與所述的高精密電動旋轉盤9轉動角度 的關系，該高精密電動旋轉盤9轉動角度的正切值即為泵浦激光的橢圓偏振度ε，得到選 定諧波的相對強度I與橢圓偏振度ε的關系曲線，即I-ε關系曲線，從該曲線找出該諧波 的相對強度下降到一半時對應的激光橢圓偏振度的值Sv2Ui)，其中i=^，〗，···，!!]* 所得的結果綜合之后獲得選定的截止區諧波的橢圓偏振依賴ε1/2(λ》與激光波長XiW 關系曲線ε 1/2" λ，用函數a λ b擬合該曲線，求得a的值，由高次諧波譜的截止區光子能量 求得激光的最大振幅Etl，再由a = 2. 6 π 2mecVs/peE0計算電子波包擴散的速度Vs = apeE0/2. 6 π 2mec和不同激光波長對應的電子波包半徑為乂/2 =。0.6H斤其中e，IV c分別為電子電荷、電子質量、光速，ρ 5. 7。特別注意的是，需要適當調節激光的輸出功率以及平凸透鏡6的焦距，以保證不 同波長激光的峰值強度與SOOnm波長激光的峰值強度相同。另外，四分之一波片5應該根 據激光波長選擇。數據處理的細節①將上述測量得到的一系列高次諧波譜減去相應的背景信號，去除噪聲，得到干 凈的高次諧波譜，如圖3所示，軟χ射線CCD的探測面上得到一系列分立的二維光譜，橫向 為諧波的頻譜分布，縱向為諧波的空間分布。從左到右，諧波級次依次減小。對于每一個激 光波長，選定截止區內某一級次的諧波(接近最高級次，但是為了確保足夠高的信噪比，選 定的諧波不能太弱)，將該諧波對應的所有像素點的強度相加，作為該諧波的相對強度I。②對每一個激光波長λ々=1，2，···!!)，描繪選定的截止區諧波的相對強度I與 旋轉盤轉動角度θ的關系。該旋轉臺轉動角度的正切值即為激光的橢圓偏振度ε (ε = tan θ )。從而得到每一個激光波長λ di = 1，2，…η)下選定的截止區諧波的相對強度I 隨激光橢圓偏振度ε的變化，描繪I-ε關系曲線，由該曲線求出該諧波的相對強度I下降 到一半時對應的激光橢圓偏振度的值^20’=1，2, ··· )。③獲得截止區高次諧波產生的橢圓偏振依賴砧2(戶1,2,…《)與激光波長XiG = 1,2, -η)之間的關系曲線，用函數aAb擬合該曲線，求得a和b的值。④如發明內容中所述，當電子相對于母離子的橫向偏移等于電子波包的大小(半 徑)時，諧波的強度將下降到原來的一半，即P ε V2eEciX27XO3I c)2 = Vs · 0.65 λ/c。由
10此可得，截止區諧波的橢圓偏振依賴<2( =1,2,…《)與激光波長XiG = 1,2,…η)的關系 為ε 1/2 = (2.6 312mecVs/peE0) · λ -1。因此，理論上，a = 2. 6 π 2mecVs/peE0, b = _1。我 們考慮的是不同激光波長對應的截止區諧波，因此P 5.7。相應地，Etl為光場的最大振 幅，由高次諧波譜的截止能量反推得到。c為光速，為電子的質量，e為電子的電荷，這 些均為常數。因此，由擬合得到的a值以及由高次諧波譜截止能量得到的Etl可以反推出 電子波包擴散的速度Vs = apeE0/2. 6 π \ c以及不同激光波長對應的電子波包大小(半 徑)一/2 = K .0.65A/c(i=l，2,·.. )。下面給出一個具體的實施例來初步驗證本發明，詳細描述如下實驗中我們選取了 800nm，1300nm, 1400nm, 1500nm, 1800nm五個波長，前四個波長 用40cm平凸透鏡6聚焦，ISOOnm為閑散光，光斑質量較差，最大輸出功率較低，為了使其與 其他激光波長的峰值強度(1.8X1014W/cm2)相同，選用15cm平凸透鏡6聚焦。氣體盒11 的長度為2mm，工作氣體為氬氣。通過一系列的測量，得到不同激光波長對應的高次諧波產 生的橢圓偏振依賴，通過函數aXb擬合，得到a的值，由此反推得到氬氣電離后的電子波包 擴散速度6±0· 75A/fs, SOOnm激光驅動的碰撞速度最大的電子的返回電子波包大小 (半徑)σ 1/2 = 0.97士0. 13nm。這種測量方法得到的波包擴散速度與通過測量氬氣雙電 離率的橢圓偏振依賴獲得的結果是一致的(參閱文獻H.Niikura，F. Legare, R. Hasbani, Μ. Ivanov,A. D. Bandrauk,D. Μ. Villeneuve,and P. B. Corkum, Nature,Vol. 417,917,2002), 這足以證明本發明測量電子波包擴散速度的準確性與有效性。
權利要求
一種電子波包擴散速度的測量裝置，特征在于其結構包括啁啾脈沖激光系統(1)和光參量放大器(2)，在所述的啁啾脈沖激光系統(1)或者其泵浦的光參量放大器(2)輸出的飛秒激光(4)光路上依次設置四分之一波片(5)、平凸透鏡(6)、高次諧波靶室(7)和軟x射線光柵光譜儀(8)，所述的啁啾脈沖結構系統輸出波長為800nm的飛秒激光，經由800nm高反鏡(3)導入到所述的高次諧波靶室(7)的輸入光路，移除所述的800nm高反鏡(3)后，所述的光參量放大器(2)在所述的啁啾脈沖激光系統(1)的泵浦下，輸出波長在1200 2400nm連續可調的飛秒激光進入所述的高次諧波靶室(7)的輸入光路，所述的四分之一波片(5)根據測量所述的飛秒激光的波長而選定，并固定在高精密電動旋轉盤(9)的中心，所述的平凸透鏡(6)安裝在一臺可沿激光束方向移動的精密平移臺(10)上，所述的高次諧波靶室(7)內具有氣體盒(11)，該氣體盒(11)通過微調閥(12)和氣路與工作氣體瓶(13)相連，所述高次諧波靶室(7)和軟x射線光柵光譜儀(8)之間以插板閥(14)相連，所述高次諧波靶室(7)和軟x射線光柵光譜儀(8)分別接有第一真空泵(15)和第二真空泵(16)，所述軟x射線光柵光譜儀(8)對所述的飛秒激光與所述的氣體盒(11)內的工作氣體作用產生的高次諧波頻譜進行探測。
2.根據權利要求1所述的電子波包擴散速度的測量裝置，其特征在于所述的軟χ射線 光柵光譜儀⑶由鋁箔(17)、軟χ射線反射鏡(18)、狹縫(19)、平場光柵(20)和軟χ射線 CCD (21)構成。
3.根據權利要求1所述的電子波包擴散速度的測量裝置，其特征在于所述的四分之一 波片(5)與所述的高精密電動旋轉盤(9)共軸。
4.一種利用權利要求1或2或3所述的電子波包擴散速度的測量裝置進行電子波包擴 散速度測量的方法，特征在于包括下列步驟①關閉高次諧波靶室(7)與軟χ射線光柵光譜儀(8)之間的插板閥(14)，依次開啟與 軟χ射線光柵光譜儀(8)相連的第二真空泵(16)和高次諧波靶室(7)相連的第一真空泵 (15)，待所述的高次諧波靶室(7)與軟χ射線光柵光譜儀⑶均達到所要求的真空度后，打 開所述的插板閥(14)；②開啟所述的啁啾脈沖激光系統(1)，輸出波長為SOOnm的飛秒激光(4)，該激光經 由三塊SOOnm高反鏡(3)導入到高次諧波靶室(7)的輸入光路，在該光路上設置平凸透鏡 (6)，并將其安裝在所述的精密平移臺(10)上，調整移動該精密平移臺(10)，使經過平凸透 鏡(6)的光束將氣體盒(11)打穿并使焦點位于所述的氣體盒(11)的中心；③打開工作氣體瓶(13)，旋轉微調閥(12)向氣體盒(11)中充入工作氣體，通過所述 的軟χ射線光柵光譜儀(8)的軟χ射線CCD(21)探測高次諧波頻譜，同時調節氣體盒(11) 的工作氣壓、激光焦點相對于氣體盒的位置以及所述飛秒激光(4)的功率和啁啾，使具有 一定峰值強度的SOOnm的飛秒激光與所述的氣體盒(11)中工作氣體相互作用，以獲得最高 級次的諧波信號；④在所述的平凸透鏡(6)前插入工作波長為SOOnm四分之一波片(5)，將該波片固定 在所述的高精密電動旋轉盤(9)的中心，旋轉該高精密電動旋轉盤(9)帶動所述的四分之 一波片(5)繞著入射光線轉動，以調節該四分之一波片的光軸與激光偏振方向的夾角，從 而改變激光的橢圓偏振度，原理上，當高次諧波信號最強時，激光為線偏振光，即橢圓偏振 度為零，此時，該四分之一波片的光軸的快軸或者慢軸與所述的飛秒激光(4)的偏振方向重合，所述的四分之一波片不改變激光束的偏振狀態，將此時所述的高精密電動旋轉盤(9) 相應的的角度記為零度，再將高精密電動旋轉盤(9)沿順時針或者逆時針方向轉動，直到 所述的高次諧波信號完全消失，這時高精密電動旋轉盤(9)所對應的角度記為α，在(0， α )之間每隔一定的角度由所述的軟χ射線CCD(21)探測所述的波長為SOOnm的λ ^高次 諧波頻譜；⑤關閉所述的微調閥(12)，待所述的氣體盒(11)內的氣壓降為零，由所述的軟χ射線 CCD (21)探測采集信號作為背景，將上述步驟④采集的高次諧波頻譜減去背景信號，獲得去 背景信號的λ^高次諧波譜；⑥移除所有SOOnm的高反鏡，將啁啾脈沖激光系統(1)輸出的激光直接導入到所述的 光參量放大器(2)作泵浦光，開啟所述的光參量放大器(2)，獲得波長在1200 2400nm連 續可調的飛秒激光(4)輸出，在所述的1200 2400nm選定η個待測的激光波長Xi，其中 i = 1,2,…，η ；將所述的SOOnm四分之一波片(5)替換為中紅外波段寬帶四分之一波片 (5)；⑦選定飛秒激光波長為X1，調節所述的光參量放大器(2)輸出激光波長為X1飛秒激 光，且使該A1飛秒激光經所述平凸透鏡(6)聚焦后的峰值強度與所述的SOOnm飛秒激光 的峰值強度相同，即激光波長λ1對應的高次諧波譜的截止能量E。ut。ff滿足如下關系:Ecutoff =Ip+3. 17UP，其中 =ASSxIO14T0;^為有質動力勢能，15為原子的電離勢，單位eV，、為激光峰值強度，單位為W/cm2，λ工為激光波長，單位μ m ；重復步驟③④⑤的調節和測試環節，獲得λ i 的高次諧波頻譜；⑧依次選定飛秒激光波長為Xi，其中i= 2，…，n，重復步驟⑦n-1次，依次獲得相應 的入2，入3，…，Xi,…，λ n的高次諧波頻譜；⑨對所述的激光波長入1，其中1= 0，1，2，…，η的高次諧波頻譜，選定截止區內某一 級次的諧波，將該諧波對應的所有像素點的強度相加，作為該諧波的相對強度I，得到選定 諧波的相對強度I與所述的高精密電動旋轉盤(9)轉動角度的關系，該高精密電動旋轉盤 (9)轉動角度的正切值即為泵浦激光的橢圓偏振度ε，得到選定諧波的相對強度I與橢圓 偏振度ε的關系曲線，即I-ε關系曲線，從該曲線找出該諧波的相對強度下降到一半時對 應的激光橢圓偏振度的值￡1/2(入》，其中1=0，1，2，…，η，將所得的結果綜合之后獲得 選定的截止區諧波的橢圓偏振依賴ε1/2(λ》與激光波長Xi的關系曲線ε1/2-λ，用函數 a λ b擬合該曲線，求得a的值，由高次諧波譜的截止區光子能量求得激光的最大振幅Etl，再 由a = 2. 6 π 2mecVs/peE0計算電子波包擴散的速度Vs = apeE0/2. 6 η 2mec和不同激光波長對應的電子波包半徑為=Ki-O^AiA其中e，me，c分別為電子電荷、電子質量、光速，ρ 5.7。
全文摘要
一種電子波包動力學的測量裝置和測量方法，本發明的核心思想是根據高次諧波產生對激光橢圓偏振度的敏感性與電子波包動力學過程的關系，測定高次諧波頻譜，篩選高次諧波頻譜產生的激發激光波長的橢圓偏振依賴與激光波長的關系，計算電子波包擴散的速度和不同激光波長對應的電子波包大小。本發明測量裝置和測量方法具有簡單而有效的特點，這對于理解強場物理中電子波包的演化以及電子的微觀動力學具有重要的意義。
文檔編號G01P3/36GK101975866SQ201010252568
公開日2011年2月16日 申請日期2010年8月13日 優先權日2010年8月13日
發明者付玉喜, 俆晗, 俆至展, 儲蔚, 姚金平, 曾斌, 熊輝, 程亞 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所