Fyzikální ústav Akademie věd ČR

Generace vysokých harmonických řádů (high-order harmonic generation - HHG) je silně nelineární proces, v kterém femtosekundové laserové pulzy vybudí médium, např. plyn, takovým způsobem že vytvoří tyto harmonické velmi vysokého řádu od vlnové délky fs laseru. Obvykle mohou být tyto harmonické řády např. 27 a vyšší. Ve fyzikálním vysvětlení tento fenomén zahrnuje většinu elektronů ve valenční vrstvě např. atomu plynu. Atom je ionizován velmi silným laserovým polem. Energie laserového pole je pak převedena na kinetickou energii ionizovaného elektronu. Poté co pole stratí energii elektron zpomaluje a nakonec zastaví. Potom zrychlí zpět k atomu a znovu se s ním srazí. Během rekombinace je nadbytek kinetické energie zachyceného elektronu vyzářena jako foton, jehož energie je úměrná kinetické energii elektronu. Tento model zde popsaný je znám jako „tří krokový model“(„three step model”) - obr. 1.

Obr. 1. Shrnutí „tří krokového modelu“ generace vysokých harmonických řádů.

Zdroj HHG má unikátní vlastnosti: je vysoce koherentní, vyslané záření má tvar kužele, profil svazku je dobře definován (má téměř perfektní Gaussovo rozložení intenzity) a velmi malou divergenci (pod mrad), zdroj má ve spektrální oblasti hřeben extremně úzkých linek. Jsou samozřejmě nastavitelná. Tento typ zdroje obvykle neposkytuje velmi intenzivní svazek , ale představuje vynikající doplňkový zdroj k silným avšak nízkofrekvenčním rentgenovým laserům. Opakovací frekvence HHG je typicky 10 Hz až 1 kHz. HHG je také jediná metoda pro generování světelných pulzů v rozsahu attosekund (1 as = 10^-18s) - nejkratší pulz světla jaký byl kdy získán.

Naše skupina vyvinula, charakterizovala, optimalizovala a úspěšně uvedla do provozu ultrarychlý koherentní zdroj rentgenových pulsů v laboratoři PALS. Tento kompaktní zdroj je založen na principu HHG a poskytuje plně koherentní svazek v oblasti 20 – 35 nm s opakovací frekvencí 1 kHz. Ti:safírové laserové pulsy (810 nm) o energii 1.2 mJ (obr. 2.) a délce 35 fs jsou fokusovány do statické plynové cely nebo pulsní trysky obsahující konverzní médium (Ar). Vyvinutý zdroj HHG je nyní používán v aplikačních experimentech jako např. rentgenová ablace nebo metrologie rentgenové optiky.

Obr. 2. Laserový systém používaný při generaci HHG na FZÚ/PALS.

Laboratoř, kde dochází ke vytváření HHG je zobrazena na obr. 3.

Obr. 3. Experimentální zařízení pro generaci HHG na FZÚ/PALS. Skládá se z titánem-dopovaného safírového laseru, zdroje HHG umístěného ve zdrojové vakuové komoře (modrá komora na obrázku) a aplikační komory (šedá komora na obrázku, svazek je distribuován směrem od nás).

Experimentalní uspořádání je zobrazeno na obr. 4.

Obr. 4. Nákres experimentálního uspořádání pro vytváření HHG zdroje záření na FZÚ/PALS.

Tento zdroj záření byl charakterizován s přihlédnutím k jeho vlastnostem. Některé experimentálně dosažené výsledky jsou zobrazeny na obr. 5 a obr. 6.

Obr. 5. Otisk (footprint) svazku vysokých harmonik.

Obr. 6. Spektrum vysokých harmonik generovaných v argonu. Naměřená data (horní část) a vlnovou délkou kalibrovaný graf (spodní část).

Námi vyvinutý zdroj vysokých harmonik je nyní využíván v mnoha mezioborových aplikacích jako je rentgenová ablace nebo proměřování rtg optiky.

Vyvinutý XUV harmonický zdroj byl použit pro měření reflektivity multivrstvých zrcadel v závislosti na úhlu dopadu. Na Obr. 7 je schéma experimentálního uspořádání a na Obr. 8 vlastní realizace.

Obr. 7. Schéma uspořádání experimentu na měření reflektivity multivrstvého zrcadla jako funkce úhlu dopadu. Experiment byl proveden na KAIST.

Obr. 8. Fotografie uspořádání experimentu.

Měřené zrcadlo bylo umístěno na rotačním stolku spolu s absolutně kalibrovanou fotodiodou citlivou v XUV oblasti, což umožňovalo měnit úhel dopadu přímo ve vakuu. Fotodioda byla dodatečně opatřená 150 nm vrstvou hliníku. Signál z fotodiody byl měřen pomocí osciloskopu.

Experimentální výsledky reflektivity jsou na Obr. 9 porovnány s vypočtenými hodnotami. Naměřená reflektivita je 31.5% a vypočtená přibližně 29%.

Obr. 9. Měření reflektivity Mo:Si multivrstvého zrcadla navrženého pro vlnovou délku 21.6 nm v okolí úhlu dopadu 45 stupňů.