応物学会2003年春発表資料（PowerPoint 632KB - 石川顕一

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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