He Dramatically enhanced highorder harmonic generation from He

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 学系研究科 Web: http: //ishiken. free. fr E-mail: ishiken@q. t. u-tokyo. ac. jp 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 学研究室(緑川克美) l l 0. 33 m. J 1 m. J 4. 7 m. J @ @ l = 29. 6 nm (Ti: Sapphire H 27) l = 54 nm (Ti: Sapphire H 15) l = 62. 3 nm (Ti: Sapphire H 13) l = 72. 7 nm (Ti: Sapphire H 11) 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) l 1. 9 m. J @ l = 53. 3 nm (Ti: Sapphire H 15) ■ 東京大学物性研究所(渡部俊太郎) l 1. 2 m. J @ l = 49. 7 nm (Kr. F Excimer H 5) 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 Numerical experiments for He+ ■ Two-photon ionization of He+ by the 27 th harmonic of a Ti: Sapphire laser （物理学会 2002年春） ■ Three-photon ionization of He+ by the 13 th harmonic of a Ti: Sapphire laser （応物学会 2003年春） ■ Simultaneous laser and soft x-ray (Ti: S H 27) pulse irradiation to He + l Photoemission l Ionization 応物 2003年 8月31日　石川顕一 No. 3

Model Time-dependent Schrodinger equation n Field of the combined harmonic and fundamental pulse Numerical method – Alternating direction implicit (Peaceman-Rachford) method He 2+ 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) Pulsewidth = 10 fs Cut-off energy of HHG P. Corkum (1993) E=0 Recombination photoemission 54. 4 e. V Classical motion Field ionization n 2 s, 2 p Si m pl em an ’ s th eo ry Ionization potential Ponderomotive energy 40. 8 e. V He+ 1 s In the case of He+. . . – Higher energy cut-off – But… Extremely low efficiency Ti: S H 27 〜 40 e. V 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 レーザー光 17桁の増大 ！ さらに高次の高調波 ■ 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 メカニズム Two-color frequency mixing Harmonic generation from a coherent superposition of states E=0 2 p He+ 仮想準位からのOFI 1 s 40. 8 e. V 27次 基本波 Field ionization 40. 8 e. V Field ionization 仮想準位 2 s 27次 He+ 1 s Watson et al. , Phys. Rev. A 53, R 1962 (1996) 応物 2003年 8月31日　石川顕一 No. 8

He 2+ yield (イオン化) n n 2. 29× 10 -15 1014 W/cm 2 4. 14 × 10 -4 3× 1014 W/cm 2 0. 815 3× 1014 W/cm 2 1013 W/cm 2 0. 170 3× 1014 W/cm 2 1012 W/cm 2 1. 85× 10 -2 3× 1014 W/cm 2 1011 W/cm 2 1. 86× 10 -3 1015 W/cm 2 1013 W/cm 2 0. 083 The yield by [fundamental+H 27] ld !! 3× 1014 W/cm 2 He 2+ yield of the yie H 27 Decrease Fundamental (800 nm) Laser intensity >>>>> [fundamental alone] or [H 27 alone] – H 27 plays a major role in 1 s → 2 p Both are necessary for – Fundamental plays a major role in 2 p → continuum efficient ionization ! The yield by [fundamental+H 27] is proportional to the H 27 intensity. – Saturation at the higher intensity 応物 2003年 8月31日　石川顕一 No. 9

石川顕一 波長依存性 E=0 H 27 -fund. 2 p H 27: 1013 W/cm 2 H 27 40. 8 e. V Field ionization H 27 -2 xfund. He+ 1 s 40. 8 e. V 27次 仮想準位 Field ionization 40. 8 e. V Field ionization 2 s 1 s E=0 基本波 27次 2 p 27次 He+ 1 s 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 800 nmの場合 H 27 -fund. E=0 H 27: 1013 W/cm 2 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 e. V H 27 Field ionization H 27 -2 xfund. 2 s 27次 He+ 1 s 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 (H 27) 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