浅谈高次谐波的应用前景

浅谈高次谐波的应用前景［摘要］谐波辐射一直是非线性光学中的主要研究内容之一。自从1960年以来，利用谐波辐射是获得新激光谱线最主要的途径。近几年来，由于超短超强激光技术的飞速发展，为谐波辐射研究提供了前所未有的技术支持，树立了新的里程碑。［关键词］高次谐波；强激光场；超强激光脉冲谐波辐射一直是非线性光学中的主要研究内容之一。自从1960年以来，利用谐波辐射是获得新激光谱线最主要的途径。近几年来，由于超短超强激光技术的飞速发展，为谐波辐射研究提供了前所未有的技术支持，树立了新的里程碑。现在，在实验室里，人们可以获得脉冲宽度短至几个周期的激光脉冲，光聚焦后的激光功率密度已经达到甚至超过了氢原子内部的库仑场强所对应的功率密度（～1016W/cm2）。当原子与如此强的激光场相互作用时，会出现一系列用传统的微扰理论无法解释的物理现象，高次谐波辐射就是其中之一。目前，利用超短超强激光脉冲与原子相互作用产生高次谐波辐射的理论和实验研究正受到人们的广泛关注，它吸引着几个世界上最优秀的实验室和实验小组来从事这一领域的研究，使得高次谐波辐射取得了日新月异的进展和成果。高次谐波虽给我们的日常生活中带来了一些困扰但它却具有极其广泛的应用前景，文章主要对高次谐波的危害和应用前景做详细的阐述。1高次谐波的危害由于电力用户的用电设备有一部分是非线性负载，它们从电网中吸收的电流为非正弦波，导致电力系统的电源波形发生畸变，从而成为对电网的污染源。变频调速装置的主电路由晶闸管整流器和逆变器组成，输出电流，电压均为非正弦波，都不可避免地产生高次谐波，使电源波形畸变，对电网产生污染。特别是功率较大的整流器、感应电炉所产生的不良影响十分严重，已成为电网的公害。高次谐波给我们日常生活带来了一些困扰：1）对电气设备绝缘的破坏；2）使电容器过负荷和过电流；3）产生脉动转矩；4）导致继电器误动作；5）使断路器不能良好地运行；6）严重干扰通讯系统。2高次谐波辐射研究的重大意义及最新进展高次谐波研究的主要动力来自于它极有潜力的应用前景。首先，利用高次谐波辐射人们可以获得相干的、脉冲持续时间短的XUV和X射线源。目前，利用超短（仅为几个光周期）超强激光脉冲与惰性气体介质相互作用产生的高次谐波已经成功地进入了“水窗”波段，这对于活的生物细胞和亚细胞结构的显微成像具有重大意义。此外，高次谐波辐射脉冲持续时间短（可达到飞秒量级）、频带窄、波长可调谐的特点，使得它在需要高的时间和空间分辨的微观快过程研究领域有着广泛的应用，例如激光等离子体诊断，原子内壳层的光电离和双光子电离，材料科学和化学中的表面物理和化学，半导体的全息光刻，原子团簇的电子和几何结构等。其次，高次谐波辐射是人们实现阿秒相干脉冲的首选光源。自从激光出现以后，脉冲持续时间的突破日新月异，它影响着化学、物理学和生物学中的测量手段的更新以及对未知领域的深入。利用可见光和近红外激光实现飞秒（～1fs）脉冲碰到了物理上的困难。强场高次谐波由于辐射谱呈现平台区以及平台区谐波有规律的等频率间隔分布的独特优点，成为突破阿秒界限的首选光源。一旦突破阿秒界限，人类有可能实现原子尺度内时间分辨的梦想，将超快过程的测量范围扩展到各种物质形态中电子的运动过程，如复杂分子中的电荷跃迁、分子中价电子的运动状态等。阿秒技术的实现，将具有极其重大且不可替代的应用价值。第三，高次谐波的研究对强场物理的研究有着强大的推动作用。由于激光技术的飞速发展，人们利用台式激光器，获得的电场强度已经可以达到甚至超过原子单位电场强度。这些强场的实现直接推动了各个学科的发展，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（超）强外场这种极端物理条件下所辐射的各种强场效应（如高次谐波辐射，阈上电离，强场自电离，电离抑制和库仑爆炸等），建立和发展新的非微扰理论。高次谐波辐射的研究是检验强场物理理论合理性的一个重要工具，同时也不断为强场物理理论提出新的课题，因此，可以说高次谐波研究是深入认识强场物理本质的一个重要手段。几乎所有的高次谐波实验所得到的谐波谱都表现出同一个特征：随着谐波级次的增加，开始几次谐波单调地下降，紧接着出现了一个所谓的“平台”，在平台区内，谐波的强度随谐波级次的增加下降得非常缓慢，在平台区末端的某一级次谐波附近，谐波强度迅速下降，出现截止。平台区的出现，使得人们完全有可能利用T3激光产生高次谐波来获得相干的XUV和X射线源；同时，平台区的出现，也为人们突破阿秒界限提供了新的途径。平台区的出现是无法用传统的微扰理论来解释的，原因正是在于：在相互作用区域，激光场的电场强度已经达到甚至超过了原子内部的库仑场强，破坏了微扰理论应用的前提。目前，对于高次谐波实验结果比较成功的解释是隧道电离理论。原子在强激光场的作用下发生隧道电离，进入连续态的准自由电子在随着外场振荡的过程中，会获得额外的能量（颤动动能），当它再次回到原子核附近复合到基态时，辐射出一个光子，光子的能量等于原子的电离能加上电子从激光场中所获得的能量。较低次谐波则认为是由原子从其他激发态向基态跃迁时产生的。这里仅考虑原子从激发态或连续态跃迁到基态辐射谐波的情况，这是因为这种情况下辐射的谐波强度（跃迁几率）要远远大于从激发态或连续态回到其他状态的强度（跃迁几率）。3展望上文已经指出，高次谐波辐射是产生超短脉冲XUV和X射线相干辐射光源的主要途径之一，具有广阔的应用前景和重大的理论价值。如何获得更短波长的谐波和提高谐波的转换效率仍然是强场高次谐波研究的主要方向。但是不得不指出的是，高次谐波研究离实际应用还有着很大的差距，主要原因在于高次谐波辐射的能量转换效率太低，因此，从这一角度来讲，提高谐波的转换效率应该是今后强场高次谐波实验研究最主要的课题，这是使高次谐波走向实用并服务于人类的关键。提高谐波转换效率的主要途径有：使用双色场或多色场对谐波辐射过程进行位相控制；利用波导对色散的补偿作用改善位相匹配等。大幅度提高谐波的转换效率的可行途径是，抑制其他级次谐波的产生，把入射激光的能量耦合到某一级次或相邻的几次谐波中去，这也是今后强场高次谐波研究的一个重要课题。［参考文献］[1]M.D.Perryetal.,Science,1994.[2]M.Protopapasetal.,Rep.Prog.Phys.,1997.[3]S.Sartaniaetal.,Opt.Lett.,1997.[4]ChangZenghuetal.,Phys.Rev.Lett.,1997.[5]Ch.Spielmannetal.,Science,1997.[6]M.Schnureretal.,Phys.Rev.Lett.,1998.[7]I.P.Christovetal.,Phys.Rev.Lett.,1997.[8]Ph.Antoineetal.,Phys.Rev.A,1997.[9]K.C.Kulanderetal.,Phys.Rev.Lett.,1989.[10]J.L.Krauseetal.,Phys.Rev.Lett.,1992.[11]王迎松,徐至展.激光与光电子学进展[J].1999.