Phase-matching in high-order harmonic generation with a plasma-reshaped driving field
本研究表明，等离子体诱导的驱动激光场重塑是决定高重复频率镱基激光器在高阶谐波产生过程中相位匹配及由此产生的巨大光谱漂移的核心机制。
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光可以被诱导以看似违背其本质的方式行事，将单一、稳定的光束转化为一系列比原始光束能量更高的全新色彩。这一过程被称为高阶谐波产生，它充当了宇宙的强力显微镜，使科学家能够创造出极其短暂的光闪烁，以至于能够冻结原子内电子的运动。这些闪烁仅持续几百阿秒——这是一个如此短的时间尺度，以至于在其中一个秒内包含的阿秒数量，与自宇宙诞生以来所经历的秒数一样多——这对于在最基础层面上研究物质至关重要。为了使这些工具在现实任务中（例如检查计算机芯片的质量）发挥作用，研究人员需要可靠且高效地产生这种光。多年来，标准方法是使用由钛宝石晶体制成的激光器，但向基于镥元素的另一种新型激光器的转变，有望使这些装置变得更小、更便宜，并能以更快的速度发射。然而，转向这种新技术改变了游戏规则，科学家必须准确理解光在这种新条件下的行为方式，以避免制造出无法正常工作的机器。
在最近的一项研究中，瑞典隆德大学和荷兰ASML的研究人员调查了当光通过氖气喷射流时是如何表现的，使用的是一种新型强力激光系统。他们将持续45飞秒的红外光脉冲射入氖气流中，以产生高能闪烁。随着光穿过气体，它剥离了氖原子的电子，创造出一个被称为等离子体的薄层电离云。团队预期光的行为会以一种可预测的方式进行，类似于一束光穿过透明窗户，但他们发现情况要动态得多。随着激光脉冲在气体中移动，创造等离子体的行为本身改变了激光束的形状。气体中的电子对光产生了反作用，导致激光束在传播过程中发生重塑和演变，而不是保持固定、平滑的形状。这种重塑被证明是理解这种新光是如何产生的关键。
研究人员以极高的精度测量了氖气产生的光的颜色，观察了随着他们改变激光脉冲能量和气体压力时颜色的变化。他们发现，产生的光的颜色可以发生剧烈偏移，其跨越的范围涵盖了光谱中超过两个不同的阶梯。这种偏移并非随机，而是一张时间的直接地图。因为激光脉冲在经过气体时会改变气体，所以创造新光的理想条件仅在脉冲内的极短瞬间内才会完美实现。如果激光能量较低或气体较稀薄，这个完美时刻会在脉冲后期发生，从而产生特定的颜色。如果研究人员增加能量或气体压力，等离子体会更快地重塑光束，迫使那个完美时刻在脉冲更早的时候发生，从而产生不同的颜色。通过追踪这些颜色变化，团队实际上能够实时观察光产生时机的移动。
为了理解这些观测结果，科学家们建立了一个详细的计算机模型，模拟了光穿越气体的旅程。他们发现，描述这些实验的标准方式（即假设激光束保持完美、不变的形状）无法解释他们的结果。那种传统观点预测，在某些条件下光产生过程会完全停止工作，或者颜色的偏移方向会与他们观察到的不同。唯一能与实验数据相匹配的方法是引入等离子体重塑光束的影响。模型显示，等离子体就像一个随脉冲移动而改变焦点的透镜，改变了光的强度和形状，从而使光产生过程得以持续并保持高效。这种重塑使得光能够在其他情况下不可能产生的时间和强度下被产生，有效地改写了优化这些光源的规则。
该研究得出结论，对于这些新型高速激光系统，光与气体之间的相互作用比此前认为的要复杂得多。等离子体不仅仅是作为一个被动的介质存在；它主动塑造着驱动激光束，而这种塑造是决定何时以及产生何种光的决定性因素。这一发现对于任何试图为半导体制造等先进应用构建紧凑型、高重复频率光源的人来说都至关重要。它表明，为了获得最佳性能，工程师不能仅仅依赖于假设光束稳定不变的旧公式。相反，他们必须考虑到光束在传播过程中不断自我重塑的事实。通过理解并利用这种重塑，科学家可以更好地调节设备，以产生下一代科学和工业工具所需的精确、超宽带闪烁光。
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