高次谐波的应用前景和进展,本文是研究进展方面论文范文例文跟高次谐波和应用前景和研究进展相关论文范文例文.
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摘 要：高次谐波的研究已是强场物理中最活跃的领域之一,本文简要介绍其理论与实验研究进展情况及应用前景.
关键词：强激光；高次谐波；进展
因为高次谐波极富潜力的应用前景,高次谐波的研究已成为强场物理中最活跃的领域之一.本文简要介绍了国内外对高次谐波的理论与实验研究进展及高次谐波的应用前景.
在强激光的作用下,原子、分子、团簇以及固体等介质发射频率整数倍于驱动激光频率的相干辐射波,这种辐射称为高次谐波.高次谐波在很多方面有着潜力极大的应用前景,理论与实验研究均取得了瞩目的成果.
一、高次谐波谱的产生及特征
1987年,Shore与Knight[1]预言,由阈上电离得到的电离电子在激光场的驱动下可能返回基态,产生高次谐波[2].Mcpherson等人用亚皮秒（248.6nm）KrF激光脉冲与Ne气体相互作用获得了17次谐波.高次谐波辐射谱呈现速降区、平台区和截止频率特征（如图1）,即随谐波次数的增加其强度先后出现快速降低区、几乎不变的平台区域；之后在平台区末端的某一阶次谐波附近谐波谱强度突然下降,出现截止（Cut-off）现象.
二、高次谐波的应用前景
随着物理学界对物质微观领域的控制和探测的尺度愈来愈小,迫切需要极紫外（10—100nm）与软X射线（1—30nm）光谱区相干辐射源,高次谐波辐射可以得到相干性、脉冲持续时间短的辐射源.用只有几个光学周期的超短超强激光脉冲与惰性气体互相作用获得“水窗”波段（2.33—4.37nm）谐波,可以实现在分子水平上观察活体生物,对活的生物细胞和亚细胞结构的三维全息成像或者显微成像,在生物制药方面意义非凡.高次谐波辐射具有的脉冲持续时间短、波长可调、频带窄等特点,非常适合在高时间与空间分辨的微观快过程研究领域中应用.自1960年发明激光以来,激光发展依次经历了调Q、锁模、啁啾脉冲放大三次技术革新,脉冲持续时间突破飞秒级,这对物理学、化学、生物学中的测量方法与未知领域的研究产生了巨大影响,为实现阿秒相干脉冲,人们把强场高次谐波辐射谱作为首选光源.一旦时间量级阿秒界限被突破,原子尺度内时间分辨将称为事实,将超快过程的测量范围拓宽到各种物质形态中电子的运动过程,将具有不可替代的重大应用价值.短脉冲强激光技术的迅猛发展开辟了许多全新的物理学领域.研究强场物理学的目的是发现并解释物质在极端物理条件（强外场或超强外场等）下所辐射的各种强场效应,比如强场自电离、库仑爆炸等,建立和发展新的微扰理论.高次谐波研究可以深入认识强场物理本质、检验强场物理理论的合理性,还可以为强场物理理论找到新的课题.
三、高次谐波研究的进展
1.实验研究.上世纪60年代主要依靠固体晶体作为介质来产生谐波,1961年Franken等人用激光射石英时首次看到了二次谐波的发射,但缺点转换效率十分低、波长较长（200nm左右）,限制了非线性光学的应用.80年代末,Mcpherson等人用Ne气与KrF激光脉冲相互作用获得了17次谐波,为X射线源的研究带来了新希望.90年代强激光场高次谐波的实验研究十分活跃,激光器包括了从紫外区到红外区的所有激光,激光强度达到了1017w/cm2,激光的脉冲宽度达到飞秒级,实验使用的工作介质有惰性气体、类惰性气体离子、分子气体、团簇、固体靶等.以Sarukura、Faldon、Crane、Kondo、Balcou、Macklin为代表的研究者,以Ivanov和Corkum、Liang为代表的研究者,以Donelly、S.X.HU为代表的研究者,分别用原子、分子、原子团族与超短激光脉冲相互作用产生高次谐波.在拓展谱宽、获得更短波长谐波方面,Saclay实验组（1993年）用强度为1015W/cm2的激光作用Ne气得到了波长为7.8nm的135次谐波；S.G.Preston等人（1996年）使用KrF激光（248.6nm）与He气作用观察到6.7nm的第37次谐波；Vienna技术大学和Michigan大学（1998年）分别利用超短强激光脉冲与惰性气体介质相互作用产生了第297次谐波（2.73nm）,达到“水窗”波段；J.Seres等人（2005年）利用毛细管结构获得波长约为1nm的谐波.在提高谐波转换效率方面,里弗莫尔国家实验室（LLNL）测得高次谐波平台区内的转换效率只有10-10数量级；Watababe等人用双色场激光场提高了平台区谐波强度约一个数量级；Seres等（2007）通过改变气体密度,提高了截止区域谐波的转化效率,观察到了2—5nm范围内的高次谐波发射,在水窗阶段高次谐波的准相位匹配得以实现.还有K.iyazaki等人系统研究了介质电离对高次谐波辐射的影响；J.Peatross等人研究了谐波的空间角分布；美国Michigan大学的实验小组改变了驱动激光脉冲的“啁啾”状态,达到了控制谐波某些特性的目的.
2.理论模型.由于入射激光场的场强接近或超过原子内部库仑场强,所以不能用微扰理论来解释强场高次谐波.Krause等人（1992年）通过数值求解含时薛定谔方程,获得了高次谐波谱的截止位置（cut-off）能量的半经验公式Emax等于Ip+3.17Up.研究者提出了如图2所示的“三步模型”：第一步隧穿电离,在强场的作用下电子从核区隧穿势垒到达连续态；第二步加速,电子加速运动并从激光场中获取能量；第三步复合,改变激光场方向,加速电子再回到原子核附近与母核复合,把在外场中获得的能量以单光子形式辐射.“三步”模型理论清晰地解释了原子与强场作用产生高次谐波的物理图像,预言了谐波发射谱的截止频率,不足的地方是它把电离电子视为经典粒子,忽略了库仑势的影响,忽视了量子效应的作用.
1994年,在几个假设的基础上M.Lewenstein等人建立了强场近似模型,提出了全量子解析理论.其假设为：①除基态以外忽略其他束缚态对高次谐波的贡献；②忽略基态的损耗；③当电子处在连续态时,忽略原子势阱对电子的影响,解析地给出了与时间相关的电偶极矩.该模型所适用的物理条件为ω＜＜Ip≤Up＜Usat,其中Usat为饱和光强所对应的Up.发生隧穿电离以后,在外激光场中获取能量并复合到原子实中的电子是谐波辐射的主要贡献者.可见,该模型信息量丰富,物理本质清晰,不足之处是没有考虑其他束缚态所起的贡献以及束缚态之间跃迁对谐波的作用.
3.研究高次谐波当前遇到的主要困难.高次谐波研究的主要困难：①找到获得更高阶次、更短波长的谐波辐射的途径；②提高谐波的转换效率.谐波发射效率与原子自身的属性有关,主要是基态和连续态的耦合强度；另外,谐波发射效率与受激复合时刻基态的电子布居有关,如果布居不足,电离电子恢复到基态难以实现,如果激光的场幅增加到某一阈值,基态就将被完全电离,谐波发射就会停止.还有,谐波发射效率与复合时刻核区附近的电离电子的丰度有关,特别是较高次数的谐波,在复合的时候如果基态布居充足,则核区的高能连续态电子布居就会越多,其发射效率也就越高.可是,电子电离时激光场的瞬时场强、激光驱动下电离电子的核外运动形式、电子从电离到复合需要的时间决定复合时核区的高能电子的丰度.然而,在实际应用中原子确定下来以后,人们无法控制原子本身的性质,也就是说对于连续态与基态的耦合我们几乎没有什么办法去调控.
四、结语
随着技术条件的进一步改善以及实验水平的不断提升,高次谐波的研究进步喜人,研究者仍然孜孜以求,期待获得更短波长、更高效率的谐波,高次谐波走向实用并服务于人类必将成为可能.
参考文献：
[1]B. W. Shore,P. L. Knight. Enhancement of high optical harmonicsby excess-photon ionization [J]. J. Phys. B,1987, (20):413-423.
[2]A. McPherson,G. Gibson,H. Jara,U. Johann,T. S. Luk,I. A.McIntyre,K. Boyer,and C. K. Rhodes. Studies of multiphotonproduction of vacuum-ultriolet radiation in the rare gases[J]. J.Opt. Sov. Am. B,1987,(4):595-601.
[3]M.Protopapas,C.H.Keitel,and P.L.Knight. Atomic physicswith super-high intensity laser [J]. Rep. Prog. Phys.,1997,(60):389-486.
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