ITMO
en/ en

ISSN: 1023-5086

en/

ISSN: 1023-5086

Научно-технический

Оптический журнал

Полнотекстовый перевод журнала на английский язык издаётся Optica Publishing Group под названием “Journal of Optical Technology“

Подача статьи Подать статью
Больше информации Назад

DOI: 10.17586/1023-5086-2024-91-04-16-25

УДК: 535

Генерация второй гармоники циркулярно-поляризованного лазерного импульса, ионизующего атомы и молекулы в присутствии постоянного электрического поля

Силаев А.А., Романов А.А., Введенский Н.В.

Полный текст на elibrary.ru

Ссылка для цитирования:

Силаев А.А., Романов А.А., Введенский Н.В. Генерация второй гармоники циркулярно-поляризованного лазерного импульса, ионизующего атомы и молекулы в присутствии постоянного электрического поля // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 4. С. 16–25. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-04-16-25

 

Silaev A.A., Romanov A.A., Vvedenskii N.V. Second-harmonic generation of a circularly polarized laser pulse ionizing atoms and molecules in the presence of a static electric field [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 4. P. 16–25. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-04-16-25

Ссылка на англоязычную версию:
-
Аннотация:

Предмет исследования. Работа направлена на исследование генерации второй гармоники циркулярно-поляризованного лазерного импульса при туннельной ионизации атомов или молекул в присутствии постоянного электрического поля. Цель работы. Целью работы является получение аналитического выражения для плотности тока свободных электронов на второй гармонике циркулярно-поляризованного лазерного импульса в присутствии постоянного электрического поля и сопоставление эффективности генерации второй гармоники в случае циркулярной и линейной поляризаций лазерного импульса. Метод. Для расчёта электронной плотности тока используется классическое уравнение гидродинамики холодной плазмы с переменным числом частиц, определяемым вероятностью туннельной ионизации под действием лазерного импульса и постоянного поля. Аналитическое решение данного уравнения находится с использованием разложения вероятности ионизации в ряд Тейлора по малому постоянному полю. Основные результаты. На основе сравнения с численными расчётами продемонстрирована высокая точность полученного аналитического выражения для плотности тока на второй гармонике. Показано, что возбуждаемая плотность тока включает компоненту на второй гармонике с циркулярной поляризацией и амплитудой, пропорциональной по постоянному полю, в то время как амплитуда третьей гармоники пропорциональна квадрату постоянного поля и много меньше амплитуды второй гармоники. При фиксированной финальной степени ионизации газа (как много меньшей, так и порядка единицы) амплитуда второй гармоники имеет один порядок для линейной и циркулярной поляризации импульса. При произвольной эллиптичности лазерного импульса длительность второй гармоники определяется длительностью ионизации, которая существенно меньше длительности лазерного импульса. Практическая значимость. Тот факт, что амплитуда второй гармоники пропорциональна постоянному полю, позволяет реализовать измерение волновой формы импульсов в терагерцовом и среднем инфракрасном диапазонах стробирующим методом с высокой разрешающей способностью.

Ключевые слова:

генерация второй гармоники, лазерный импульс, ионизация, плазма, детектирование терагерцового и среднего инфракрасного излучения

Благодарность:

работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 22-72-10133).

Коды OCIS: 020.0020, 190.0190

Список источников:
  1. Karpowicz N., Dai J., Lu X., Chen Y., Yamaguchi M., Zhao H., Zhang X.-C., Zhang L., Zhang C., Price-Gallagher M., Fletcher C., Mamer O., Lesimple A., Johnson K. Coherent heterodyne time-domain spectrometry covering the entire “terahertz gap” // Applied Physics Letters. 2008. V. 92. № 1. P. 011131. https://doi.org/10.1063/1.2828709
  2. Lu X., Karpowicz N., Chen Y., Zhang X.-C. Systematic study of broadband terahertz gas sensor // Applied Physics Letters. 2008. V. 93. № 26. P. 261106. https://doi.org/10.1063/1.3056119
  3. Lü Z., Zhang D., Meng C., Sun L., Zhou Z., Zhao Z., Yuan J. Polarization-sensitive air-biased-coherent detection for terahertz wave // Applied Physics Letters. 2012. V. 101. № 8. P. 081119. https://doi.org/10.1063/1.4748171
  4. Matsubara E., Nagai M., Ashida M. Coherent infrared spectroscopy system from terahertz to near infrared using air plasma produced by 10-fs pulses // Journal of the Optical Society of America B: Optical Physics. 2013. V. 30 № 6. P. 1627–1630. https://doi.org/10.1364/JOSAB.30.001627
  5. Buccheri F., Huang P., Zhang X.-C. Generation and detection of pulsed terahertz waves in gas: from elongated plasmas to microplasmas // Frontiers of Optoelectronics. 2018. V. 11. P. 209–244. https://doi.org/10.1007/s12200-018-0819-8
  6. Tan Y., Zhao H., Wang W.-M., Zhang R., Zhao Y.-J., Zhang C.-L., Zhang X.-C., Zhang L.-L. Water-based coherent detection of broadband terahertz pulses // Physical Review Letters. 2022. V. 128. № 9. P. 093902. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.093902
  7. Xiao W., Zhang M., Zhang R., Zhang C., Zhang L. Highly efficient coherent detection of terahertz pulses based on ethanol // Applied Physics Letters. 2023. V. 122. № 6. P. 061105. https://doi.org/10.1063/5.0137707
  8. Silaev A.A., Romanov A.A., Vvedenskii N.V. Using the generation of Brunel harmonics by elliptically polarized laser pulses for high-resolution detecting lower-frequency radiation // Optics Letters. 2022. V. 47. № 18. P. 4664–4667. https://doi.org/10.1364/OL.462916
  9. Силаев А.А., Романов А.А., Введенский Н.В. Аналитический расчёт плотности тока свободных электронов на низших гармониках ионизирующего эллиптически поляризованного лазерного импульса в присутствии постоянного электрического поля // Оптика и спектроскопия. 2023. Т. 131. № 2. С. 179–182. http://doi.org/10.21883/OS.2023.02.55001.13-23
  10. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М: Наука, 1987. 591 c.
  11. Brunel F. Harmonic generation due to plasma effects in a gas undergoing multiphoton ionization in the highintensity limit // Journal of the Optical Society of America B: Optical Physics. 1990. V. 7. № 4. P. 521–526. https://doi.org/10.1364/JOSAB.7.000521
  12. Tong X.M., Lin C.D. Empirical formula for static field ionization rates of atoms and molecules by lasers in the barrier-suppression regime // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. 2005. V. 38. № 15. P. 2593. https://doi.org/10.1088/0953-4075/38/15/001
  13. Kostin V.A., Vvedenskii N.V. Generation of few- and subcycle radiation in midinfrared-to-deep ultraviolet range during plasma production by multicolor femtosecond pulses // Physical Review Letters. 2018. V. 120. № 6. P. 065002. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.065002
  14. Silaev A.A., Vvedenskii N.V. Analytical description of generation of the residual current density in the plasma produced by a few-cycle laser pulse // Physics of Plasmas. 2015. V. 22. № 5. P. 053103. https://doi.org/10.1063/1.4918333