a,bFöldes István

A nagyteljesítményû ultrarövid lézerimpulzusok széleskörû elterjedése új lehetõségeket nyitott meg koherens sugárzás létrehozására a vákuum-ultraibolya és lágy röntgen tartományban. Nagy intenzitású lézerfény anyaggal való kölcsönhatása esetén a nemlineáris kölcsönhatások következtében koherens elektromágneses hullámok keletkeznek a lézerfény frekvenciájának többszörösével, azaz az eredeti hullám harmonikusaiként. Az eredeti hullám frekvenciájának 10-100-szorosa már a vákuum-ultraibolya. ill. a lágy röntgen tartományba esik, így a magas harmonikusok effektív gerjesztése alternatívát jelent a röntgenlézerekkel szemben.

Magas harmonikusok gerjesztéséhez alapvetõen kétfajta különbözõ közeg alkalmas. A legelterjedtebb módszer a harmonikusok semleges gázban való gerjesztése. Ha egy intenzív, rövid lézerimpulzus atomos gázzal hat kölcsön, az atomok nemlineárisan válaszolnak, koherens harmonikusokat bocsájtva ki. A harmonikusok spektruma igen jellegzetes: Az elsõ néhány harmonikus intenzitása erõsen csökken, majd egy hosszú plató következik, ahol a harmonikusok közel azonos erõsségûek, a nagy energiákon pedig egy erõs levágással fejezõdik be. Harmonikusok kelthetõk ilymódon akár századrendig is, egészen 150 eV energiáig[1]. A levágást, azaz az így gerjeszthetõ legnagyobb energiát úgy magyarázhatjuk, meg, hogy az elektronok alagúteffektussal a kontinuumba gerjesztõdnek 0 sebességgel. Ezt követõen mozgásuk klasszikusan tárgyalható. Csak azok az elektronok emittálnak, harmonikusokat, amelyek az alapállapoba rekombinálódnak. A rekombinációkor elnyelhetõ maximális kinetikus energia 3.2 U_p, ahol U_p=E²/4w ² a ponderomotoros energia az E erõsségû, w frekvenciájú lézertérben. Eszerint a maximális fotonenergia

h _p = I_p+3.2U_p (1)

ahol I_p az atom ionizációs potenciálja. Nyilván az elérhetõ maximális fotonenergiát limitálja az I_sat telítési energia, ami fölött az atomok ionizálódnak. Ebbõl a csapdából talált kiutat két csoport [2,3] is az elmúlt hónapokban. Még rövidebb lézerimpulzusokat (26 fs [2] ill. 5 fs [3]) alkalmaztak, amikor - durván megfogalmazva - az elektronok ionizálásához nincs elég idõ, így a fenti korlátot sikerült túlhaladni és koherens sugárzást létrehozni egészen 0.5 keV energiáig. Természetesen ilyen rövid idejû kölcsönhatások esetén a harmonikusok nem maradnak mookromatikusak. A 26 fs-mal dolgozó csoport diszkrét harmonikusokat figyelt meg 200 eV-ig (az ún. vízablakig, ahol a szén és oxigén K abszorpciós élei között a víz gyengén nyel el, míg a szén erõsen, így az élõ anyag tanulmányozásra alkalmas hullámhossz). Ezzel szemben a bécsi csoport a még rövidebb impulzusokkal már 30 eV fotonenergiától egy ún. szuperkontinuumról számol be.

A nemesgáz atomokkal való kölcsönhatásban nemcsak hogy sikerült magas harmonikusokat kelteni, hanem azokat már fel is használták a plazmadiagnosztikában. A nagy fotonenergiák elérése bíztató ugyan, de a kvázi-monokromatikusság elvesztésével jár. Ezzel szemben a módszer elvezethet az attoszekundumos impulzusok keltéséhez.

A másik módszer magas harmonikusok keltésére a lézerfény kölcsönhatása szilárdtest lézerplazmával. A nagyintenzitású lézerfény a szilárdtest felületén forró plazmát kelt. Az impulzus idõtartama alatt a plazmának nincs ideje kitágulni, az impulzus egy meredek plazmagradienssel hat kölcsön. A lézertérben rezgõ elektronok a rezgési periódus egyik felét a nagysûrûségû anyagban, másik felét abból kilépve a vákuumban töltik, ezáltal rezgésük anharmonikus lesz. Az anharmonicitás következménye a magas harmonikusok kisugárzása. Ebben az esetben nincs ionizációs limit, a számítások szerint szintén elérhetõ a 0.2-0.3 keV-es vízablak. Ehhez olyan nagy intenzitásra van szükség, ahol a térerõsség az elektronokat már relativisztikus sebességû rezgésre kényszeríti. Az eddig elért legrövidebb hullámhossz ezzel a módszerrel 14 nm volt[4].

A JATE Kísérleti Fizikai Tanszéke és a KFKI RMKI közös kísérleteiben más úton indultunk el[5]. Az általunk alkalmazott, ultraibolya lézer intenzitása nem volt relativisztikus. A megfigyelt harmadik harmonikus azonban már így is a vákuum-ultraibolya tartományban volt, 88.3 nm hullámhosszal. Láttuk, hogy a harmonikusok intenzitása a hullámhossz rövidülésével csökken, ill. platót mutat, azaz egy meghatározott harmonikusba visznylag kevés energia jut. A kérdés úgy hangzik, hogy lehet-e egy meghatározott harmonikusba relatív sok energiát pumpálni. A fõ lézernyalábot ezért késleltettük egy kicsatolt kisebb intenzitású nyalábhoz képest, amellyel elõplazmát hoztunk létre. A késleltetést változtatva a fõ lézernyaláb különbözõ meredekségû plazmákkal hat kölcsön. Eredményeink azt mutatják, hogy a gradiens változtatásával lehetséges a szelektív harmonikuskeltés, azaz sikerült olyan paramétereket találnunk, ahol a keltett második harmonikusba való konverziós hatásfok már lecsökken, de ugyanakkor a harmadik harmonikusba való konverzió megnõtt. A szelektív harmonikuskeltés - amennyiben az rövidebb hullámhosszakon, ill. magasabb harmonikus-rendben is megtehetõ - új lépést jelentene a harmonikusok gyakorlati alkalmazhatóságában.

[1] A. L. Huillier, Ph. Balcou, Phys. Rev. Lett. 70, 774 (1993)

[2] Zenghu Chang, A. Rundquist, H. Wang, M.M. Murnane, H.C. Kapteyn,. Phys. Rev. Lett. 79, 2967 (1997)

[3] Ch. Spielmann, N.H. Burnett, S. Sartania, R.Koppitsch, M. Schnürer, C. Kan, M. Lenzner, P.Wobrauschek, F. Krausz, Science 278, 661 (1997)

[4] P.A. Norreys et al., Phys. Rev. Lett. 76, 1832 (1996)

[5] I.B. Földes, J.S. Bakos, G. Veres, Z. Bakonyi, T. Nagy, S. Szatmári; IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics 2, 776 (1996)