在V、Bi、Mn、Yb和Au等离子体中产生的高阶谐波的准相位匹配

《Optical Materials》：Quasi-phase matching of the high-order harmonics generating in V, Bi, Mn, Yb, and Au plasmas

准相位匹配在铽、铋、钒、锰、金等离子体中产生高阶谐波，通过单色/双色泵浦（800nm/1300nm）和三重方法（QPM、TCP、共振）提升极紫外辐射强度，铋等离子体33阶谐波增益达33倍，并扩展至53阶。

　　

Rashid A. Ganeev

新乌兹别克斯坦大学高级研究院，Mоваруннahr 1，塔什干 100007，乌兹别克斯坦

摘要

本文报道了在几种类型的等离子体中生成谐波与激光脉冲的准相位匹配现象。实验表明，通过增强极端紫外光谱不同范围内的高阶谐波，激光诱导的镱、铋、钒、锰和金等离子体具有产生强相干辐射的潜力。波长为800纳米和1300纳米的飞秒脉冲使得在多喷射激光等离子体中实现单色和双色谐波的产生成为可能，同时由于共振作用，单个谐波的强度也得到了增强。在6喷射Bi LIP的情况下，第33阶谐波的增益因子达到了33倍。与扩展等离子体相比，多喷射等离子体产生的最高阶谐波更为显著（Bi LIP中800纳米泵浦产生的为第53阶，Yb LIP中1300纳米泵浦产生的为第51阶，Au LIP中1300纳米泵浦产生的也为第53阶）。

引言

通过多种方式生成谐波并利用不同介质（气体、表面、固体和等离子体）来创建相干极端紫外（XUV）光源的方法显示出这些光源的低效率[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]。然而，利用多等离子体形成、共振诱导的单个谐波增益、含有不同材料团簇的等离子体射流进行高效谐波生成等特性，使得激光诱导等离子体（LIP）中的高阶谐波生成（HHG）具有吸引力[9]。

大多数等离子体谐波研究都是使用窄等离子体射流（≤0.4毫米）进行的。同时，可以预期，使用更长的等离子体射流会进一步提高转换效率，因为介质的非线性光学响应与激光-物质相互作用的时间长度呈二次方关系[10, 11]。为了在目标表面创建扩展的烧蚀区域，需要仔细选择等离子体形成的条件。扩展等离子体的吸收可能会阻碍谐波输出的增加。当激光脉冲穿过介质时，等离子体云中的自由电子可能导致激发波与谐波波之间的失配。克服这一障碍的一种方法是将扩展等离子体分离成多个小射流，以创造准相位匹配（QPM）条件。

先前的研究表明，在QPM条件下，通过在烧蚀表面前方安装多缝掩模（MSM）代替扩展的未穿孔等离子体形成，可以获得增强的谐波[12]。需要注意的是，在激光等离子体中形成QPM条件比在气体介质中更具挑战性，因为难以精确控制相互作用区内的离子和电子浓度。

关于等离子体中QPM的开创性研究[13]确定了在不同XUV范围内有效增强高阶谐波群的潜在材料。除了银之外，铟和铬等材料也使得在LIP中实现QPM成为可能。所有这些材料都表现出谐波分布的扩展截止特性。即使生成较弱的高阶谐波，也足以利用激发波与转换波的群速度匹配在较短波长区域观察到其放大效应。

本文报道了在镱、铋、钒、锰和金等离子体中的QPM现象，并展示了通过HHG在XUV不同范围内产生强相干辐射的潜力。

实验设置

实验装置

使用钛宝石激光器和光学参量放大器（OPA）在单色泵浦（SCP）条件下生成谐波。驱动脉冲（DP，图1a）由钛宝石激光器（800纳米，65飞秒）或近红外（NIR）光学参量放大器（OPA，1300纳米，70飞秒）产生，并通过焦距为400毫米的球面透镜聚焦到不同目标上产生的LIPs上。聚焦DP的共焦参数为12毫米，DP的强度为

铋等离子体

使用高能量密度（F = 2 J cm^-2）进行铋的烧蚀时，在XUV区域产生了强烈的等离子体辐射。在这种LIP形成条件下，高浓度的自由电子使得驱动波和谐波波的相位无法匹配。最佳能量密度F = 0.4 J cm^-2时，能够生成输出和截止频率最高的谐波。在这种扩展LIP形成条件下，谐波的强度达到

讨论

本研究的主要亮点包括：(a) 应用不同的LIPs（镱、锰、金、铋和钒），实现了XUV光谱不同范围内高阶谐波的准相位匹配；(b) 应用Yb和Au LIPs的TCP技术，增加了增强谐波的数量；(c) QPM效应增强了Mn和V等离子体中的共振增强谐波；(d) 同时应用三种方法提高了谐波输出。

结论

应用不同的LIPs（镱、锰、金、铋和钒）实现了XUV光谱不同范围内的准相位匹配。在Yb和Au等离子体中应用TCP技术增加了增强谐波的数量。某些LIPs（锰、钒）中的共振谐波在QPM和扩展等离子体条件下都得到了增强。本研究展示了三种提高谐波输出的方法（QPM、TCP和共振诱导的改进），这些方法之间并不矛盾。

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可向相应作者索取。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢H. Kuroda在这些研究中的支持。