提高本科论文提高高次谐波转换效率.docx

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提高本科论文提高高次谐波转换效率

【关键字】提高

毕业设计说明书

作者:

学号：

学院（系）:

理学院

专业:

应用物理学

题目:

利用二次谐波或三次谐波来提高中红外

激光作用下高次谐波的强度

指导者：

评阅者：

2017年5月

声明

我声明，本毕业设计说明书及其研究工作和所取得的成果是本人在导师的指导下独立完成的。

研究过程中利用的所有资料均已在参考文献中列出，其他人员或机构对本毕业设计工作做出的贡献也已在致谢部分说明。

本毕业设计说明书不涉及任何秘密，南京理工大学有权保存其电子和纸质文档，可以借阅或网上公布其部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权保存、借阅或网上公布其部分或全部内容。

学生签名：

2017年5月15日

指导教师签名：

年月日

毕业设计说明书中文摘要

随着科学的发展，激光技术获得了长足的发展。

激光脉冲的宽度变得更窄。

之前激光脉冲的宽度的尺度已经达到皮秒级别，现在已经到达飞秒级别,当代这个尺度正在向阿秒级别推进，标志着激光与物质的相互作用跨入了新的领域，如此短的脉冲是一个在应用上相当不错的工具，对于科研有非常重要的意义，超短的飞秒激光脉冲是实时探测分子动力学过程应用和研究不可缺少的东西,更短的阿秒脉冲可以用来探测电子在原子周围的运动过程,比如可以精确观测电子的电离过程。

目前阿秒脉冲的获得主要是通过高次谐波产生，一个高强度的激光场加在原子或分子上时,会有高次谐波的辐射产生，所以高次谐波一直是科学家们的研究热点。

高次谐波的光谱范围很宽：

从红外到软X射线。

因此高次谐波成为了突破飞秒壁垒产生阿秒脉冲的有效途径,打开了阿秒科学的大门。

本文通过介绍高次谐波的产生和高次谐波的性质,探讨如何通过二次谐波或三次谐波提高中红外激光作用下的高次谐波强度。

首先简要用三步模型介绍了高次谐波产生机制和性质，并模拟了电子在激光场中的运动。

其次,通过优化双色场，研究了在其作用下高次谐波的产生。

研究表明,使用双色场可以明显改变高次谐波的发射情况，优化双色场的各个参数，不仅能提高高次谐波的强度，也可以拓宽平台区域，使之可以发射更高阶数的谐波。

在最后通过修改半峰宽观察对高次谐波的发射的影响，证明了高次谐波的发射效率对波形很敏感。

关键词：

高次谐波阿秒脉冲双色场中红外激光

毕业设计说明书外文摘要

TitleIntensityenhancementofhigh-orderharmonicsgeneratedbythemid-infraredlaserwithitssecond-orthird-harmonicfield

Abstract

Withthedevelopmentofscience,lasertechnologyhasbeengreatlydeveloped.Thewidthofthelaserpulsehasbecomenarrower.Thewidthofthelaserpulsehasreachedthepicosecondlevel,nowreachesthefemtosecondlevel,andismovingtothesub-secondlevelnow,makingtheinteractionbetweenlaserandmaterialgoingintoanewfield.Suchashortpulseisaverygoodtoolforapplication,andisveryimportantforthescientificresearch.Ultrashortfemtosecondlaserpulseisanecessarytoolforprobingreal-timedynamicsofmolecularsystem.Ashorterattosecondpulsecanbeusedtodetectthemotionofelectronsaroundtheatom,forexample,itcanaccuratelyobservetheionizationprocessofelectrons.Atpresent,thegenerationoftheattosecondpulseismainlythroughtheprocessofhigh-orderharmonicsgeneration（HHG）.HHGisproducedwhenanintenselaserfieldinteractswithatomsormolecules,andbecomesahottopicinresearch.HHGhasawidespectralrange:

frominfraredtosoftX-rays,therefore,itbecomesaneffectivewaytobreakthefemtosecondbarriertogenerateattosecondpulse,openingthedoorofattosecondscience.Inthispaper,byintroducingthegenerationandpropertiesofhigherharmonics,wewilldiscusshowtoimprovetheharmonicintensityundertheinfluenceofmid-infraredlaserbyaddingthesecondharmonicorthirdharmonic.Firstly,wewillintroducethegenerationmechanismandpropertiesofhighharmonicsbythree-stepmodel,andsimulatethemotionofelectronsinalaserfield.Secondly,wewillstudythegenerationofhigherharmonicsbyoptimizingthetwo-colorfield.Theresultsshowthattwo-colorfieldcanobviouslychangetheemissionofhigherharmonics.Byoptimizingtheparametersofthetwo-colorfield,itcannotonlyimprovetheintensityofhigherharmonics,butalsobroadentheplateauareasothatevenhigherorderharmonicscanbeemitted.Atlast,byobservingthechangeofHHGemissionbymodifyingtheeffectofhalf-width,weareabletoshowthathighharmonicsisverysensitivetothewaveform.

Keywords:

HigherharmonicsAttosecondpulseTwo-colorfieldmid-infraredlaser

目次

1引言…………………………………………………………………………………1

2高次谐波理论………………………………………………………………………1

2.1高次谐波的发展和介绍…………………………………………………………2

2.2高次谐波的产生机制……………………………………………………………3

2.3电子在激光场中的运动…………………………………………………………4

2.4强场近似……………………………………………………………………………6

3高次谐波的优化……………………………………………………………………7

3.1高次谐波谱………………………………………………………………………7

3.2双色场优化高次谐波………………………………………………………………9

3.3色场中电子运动分析…………………………………………………………12

3.4理想波形优化高次谐波……………………………………………………………15

结论…………………………………………………………………………………22

致谢…………………………………………………………………………………24

参考文献………………………………………………………………………………25

一、引言

随着科学技术的不断发展，人类探索大自然的尺度越来越小。

从无限的宇宙到微观的粒子，到处充满人们探索的痕迹。

人们一遍又一遍地挑战极限，在微观方面，一次又一次的对更小的尺度进行不断的突破。

1897年Thomoson发现电子后，科学家们就开始研究电子运动[1]，电子运动的时间很短，以阿秒（s）为尺度，想要探测电子运动就要使用相同尺度的工具。

因此超短激光脉冲是这个工具的首选。

在激光技术方面，激光技术的进步伴随着众多学科的发展，对社会和科学的发展有着重要的作用。

由于激光单色性﹑相干性、高亮度等特点，使它在各个领域被广泛应用。

随着科技的发展，对激光的要求也越来越高，激光技术不断得到提升，激光技术的发展经历三个阶段:

调Q技术、锁模技术、啁啾脉冲放大技术。

目前，人们已经获得了超短的飞秒激光脉冲（s）,更短的阿秒脉冲（s）则是接来下的目标，国内外众多学者近一些年来一直寻找办法来试图实现更短、更强的单个阿秒脉冲。

当一个激光场作用于原子时，会辐射出频率为激光场整数倍的谐波，这成为获得阿秒脉冲的重要方法[2-8]，因此，研究高次谐波对获得理想的阿秒脉冲有重要意义。

从人们发现高次谐波开始，便吸引了大量科研工作者的兴趣，最近几十年来，世界各大有名的实验室都加入到强场物理这个研究领域，来进行高次谐波辐射的研究。

高次谐波之所以经久不衰蓬勃发展，主要因为它具有广泛的应用价值。

高次谐波可以提供软X射线及极紫外光谱范围的相干辐射源，强激光与惰性气体相互作用产生的高次谐波波长进入“水窗”（2.3nm～4.4nm）波段[9-10]；对于实现细胞结构成像和全息成像具有重大意义[11-12]。

其次高次谐波的脉冲时间极短，通过高次谐波人类就掌握了阿秒脉冲，从而可以测量电子的运动过程，比如电荷跃迁，外层电子的无规则运动等，还有在原子、分子、固态科学、等离子体诊断[13]等时间空间分辨的超快科学领域有着重要的应用。

另外在半导体的全息光刻、表面物理、几何结构研究中也有帮助。

高次谐波产生过程中最后一步为电子复合，利用复合的电子波包，可以帮助我们研究超快分子、电子动力学过程，由于高次谐波的脉冲宽度为fs或as量级，具有超高的时空分辨能力，因此高次谐波在研究分子轨道成像等领域有重要的应用价值。

为了使高次谐波最终能应用于科学研究与工业技术上，还需要克服高次谐波产生过程中的很多障碍。

如今中红外激光的发展，虽然大大拓宽了高次谐波的频谱范围，达到了X射线范围，然而，高次谐波的发射效率却随着激光波长的增加而减小，阻碍高次谐波技术应用的