石川顕一 高強度軟エックス線パルス同時照射によるHe+イオンからの高調 波発生の飛躍的増大 Dramatically enhanced high-order harmonic generation from He+ under simultaneous laser and soft x-ray pulse irradiation 2003年8月31日(日) 応用物理学会秋季学術講演会(福岡大学) 石川顕一 東京大学大学院工学系研究科 Web: http://ishiken.free.fr E-mail: [email protected] 応物2003年8月31日 石川顕一 No. 0 石川顕一 高次高調波発生 近年の高次高調波発生技術の進歩により、高強度のコヒーレント 軟エックス線・極端紫外(XUV)光パルスの発生が可能になってきて いる。 ■ 理化学研究所レーザー物理工学研究室(緑川克美) 0.33 mJ 1 mJ 4.7 mJ 7 mJ @ @ @ @ l = 29.6 nm (Ti:Sapphire H27) l = 54 nm (Ti:Sapphire H15) l = 62.3 nm (Ti:Sapphire H13) l = 72.7 nm (Ti:Sapphire H11) Takahashi et al. Phys. Rev. A 66, 021802(2002) Opt. Lett. 27, 1920(2002) JOSA B 20, 158 (2003) ■ CEA-Saclay, DSM/DRECAM/SPAM (P. Salieres) 1.9 mJ @ l = 53.3 nm (Ti:Sapphire H15) ■ 東京大学物性研究所(渡部俊太郎) 1.2 mJ @ l = 49.7 nm (KrF Excimer H5) Hergott et al. Phys. Rev. A 66, 021801 (2002) Yoshitomi et al. Opt, Lett. 27, 2170 (2002) 応物2003年8月31日 石川顕一 No. 1 石川顕一 高次高調波発生 極端紫外 4.7 mJ @ l = 62.3 nm (Ti:Sapphire H13) 軟エックス線 0.33 mJ @ l = 29.6 nm (Ti:Sapphire H27) ミラーで 10mm2 に集光 パルス幅 < 30 fs 1015 W/cm2 1014 W/cm2 これまで可視光近傍に限られていた高強度場物理現象の、短波長領域(極端紫外・軟 エックス線)での実現も夢ではない! 応物2003年8月31日 石川顕一 No. 2 石川顕一 Numerical experiments for He+ ■ Two-photon ionization of He+ by the 27th harmonic of a Ti:Sapphire laser (物理学会2002年春) ■ Three-photon ionization of He+ by the 13th harmonic of a Ti:Sapphire laser (応物学会2003年春) ■ Simultaneous laser and soft x-ray (Ti:S H27) pulse irradiation to He+ Photoemission Ionization 応物2003年8月31日 石川顕一 No. 3 Model Time-dependent Schrodinger equation i Field of the combined harmonic and fundamental pulse r,t 1 2 2 zE t r,t 2 t r Numerical method – Alternating direction implicit (Peaceman-Rachford) method He2+ Yield – evaluated as the number of electrons absorbed by the mask function at the outer radial boundary. Harmonic intensity – obtained from the Fourier transform of the dipole acceleration 応物2003年8月31日 石川顕一 No. 4 High-order harmonic generation (Fundamental pulse alone) Cut-off energy of HHG Pulsewidth = 10 fs Ec I P 3.17U P Ionization potential Ponderomotive energy e2 E 2 UP 4m 2 P. Corkum (1993) E=0 Recombination photoemission 54.4 eV Classical motion Field ionization 2s, 2p 40.8 eV He+ 1s In the case of He+... – Higher energy cut-off – But… Extremely low efficiency Ti:S H27 〜 40 eV 応物2003年8月31日 石川顕一 No. 5 石川顕一 基本波+27次高調波同時照射 軟エックス線(高調波) ヘリウムイオン さらに高次の高調波 レーザー光 17桁の増 大! ■ The harmonic intensity is enhanced by 17 orders of magnitude! ■ The cut-off energy remains high. ■ The efficiency is even slightly higher than [Laser → H] Pulsewidth = 10 fs 応物2003年8月31日 石川顕一 No. 6 石川顕一 基本波+27次高調波同時照射 軟エックス線(高調波) レーザー光 ヘリウムイオン さらに高次の高調波 Pulsewidth =Laser 10 fs (3x1014W/cm2)+H27 (1012W/cm2) ■ 高調波強度は、基本波波長に大きくは依存しない。 応物2003年8月31日 石川顕一 No. 7 石川顕一 メカニズム Two-color frequency mixing Harmonic generation from a coherent superposition of states E=0 仮想準位からのOFI 1s 40.8 eV 27次 He+ 基本波 2p Field ionization 40.8 eV Field ionization 仮想準位 E=0 2s 27次 He+ 1s Watson et al., Phys. Rev. A53, R1962 (1996) 応物2003年8月31日 石川顕一 No. 8 He2+ yield (イオン化) Fundamental (800nm) H27 3×1014 W/cm2 He2+ yield 2.29×10-15 1014 W/cm2 4.14 ×10-4 3×1014 W/cm2 1014 W/cm2 0.815 3×1014 W/cm2 1013 W/cm2 0.170 3×1014 W/cm2 1012 W/cm2 1.85×10-2 3×1014 W/cm2 1011 W/cm2 1.86×10-3 1015 W/cm2 1013 W/cm2 0.083 Laser intensity The yield by [fundamental+H27] >>>>> [fundamental alone] or [H27 alone] – H27 plays a major role in 1s → 2p Both are necessary for – Fundamental plays a major role in 2p → continuum efficient ionization ! The yield by [fundamental+H27] is proportional to the H27 intensity. – Saturation at the higher intensity 応物2003年8月31日 石川顕一 No. 9 石川顕一 基本波強度依存性 ■ イオン化の収量は、基本波強度の単調増加関数ではない! 応物2003年8月31日 石川顕一 No. 10 石川顕一 波長依存性 E=0 H27-fund. 2p H27: 1013 W/cm2 H27 40.8 eV Field ionization H27-2xfund. He+ He+ 1s 40.8 eV 27次 仮想準位 Field ionization 40.8 eV Field ionization 2s 1s E=0 E=0 基本波 27次 2p 27次 He+ 1s 応物2003年8月31日 石川顕一 No. 11 石川顕一 基本波には3つの役割がある。 波長800nmの場合 H27-fund. E=0 H27: 1013 W/cm2 基本波 ■ To field-ionize from the excited levels. ■ To assist the transition to the excited levels through two-color photon excitation ■ To shift and broaden the excited levels through the dynamic Stark effect. 40.8 eV H27 Field ionization H27-2xfund. 2s 27次 He+ 1s 複雑な基本波強度依存性 応物2003年8月31日 石川顕一 No. 12 Summary Combined high-order harmonic and fundamental laser pulse (H27) Dramatic enhancement of harmonic photoemission ionization compared with the case of the fundamental pulse alone This might open a way to develop an intense light source with an even shorter wavelength than available today. 応物2003年8月31日 石川顕一 No. 13
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