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研究生： 張中鳴
Zhong-Ming Zhang
論文名稱： 極紫外光與近紅外光在電漿中四波混頻的前期實驗
指導教授： 朱旭新
Hsu-Hsin Chu
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 物理學系
Department of Physics
論文出版年： 2021
畢業學年度： 109
語文別： 中文
論文頁數： 127
中文關鍵詞： 四波混頻 、高階諧波 、極紫外光
外文關鍵詞： FWM, HHG, EUV
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    • 利用高游離態惰性氣體離子作為交互作用介質，有機會將非線性光學反應推進到極紫外光波段，本論文探討了使用Ar2+離子進行810-nm近紅外光與20–30-nm極紫外光之四波混頻的可行性。我們依據理論計算之四波混頻非線性極化係數與非線性聯立波動方程式，規劃了可行的實驗條件，並使用本實驗室之鈦藍寶石超高功率超短脈衝雷射系統來驅動極紫外光高階諧波，以進行上述四波混頻實驗。文中詳述所有實驗設計與架設，以及詳細實驗條件的診斷結果。初步實驗顯示，在理論預期之工作條件下，並未有四波混頻的輸出。我們詳細探討了可能的原因，並指出了未來改善的方向。

    Using highly charged ion plasma as the interaction medium, there is an opportunity to advance the nonlinear optical reaction to the extreme ultraviolet light band.
    This paper discusses the feasibility of using Ar$^{2+}$ ions for four-wave mixing of 810-nm near-infrared light and 20-30 nm extreme ultraviolet light.
    Based on the theoretical calculation of the four-wave mixing nonlinear polarization coefficient and the nonlinear simultaneous wave equation, we planned the feasible experimental conditions, and used the Ti:Sapphire ultra-high-power ultra-short pulse laser system in our laboratory to drive the extreme ultraviolet light high-order harmonics generation to execute the four-wave mixing experiment.
    The design and installation of all experiments and the diagnosis of detailed experimental conditions are described in detail.
    Preliminary experiments show that there is no output of four-wave mixing under the working conditions of theoretical expectation, however, we still explore the possible causes and point out the direction of future improvement.

    致謝 v 摘要 vii 目錄 ix 圖目錄 xiii 表目錄 xix 符號列表 xxi 第一章 實驗介紹 1 1.1 非線性光學 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 四波混頻 (Four-Wave Mixing, FWM) . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 超快近紅外光脈衝與高階諧波極紫外光脈衝 . . . . . . . . . . . . . 5 1.3.1 啾頻脈衝放大技術 (Chirped Pulse Amplification, CPA) 與超高 強度近紅外光脈衝雷射系統 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3.2 高階諧波產生, High Harmonic Generation . . . . . . . . . . . . 8 第二章 四波混頻 (FWM) 參數設計與計算結果 13 2.1 三階非線性極化的計算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 實驗參數設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.1 近紅外光雷射參數 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.2 利用 above-threshold ionization (ATI) 模擬 Ar 游離 . . . . . . . 20 2.2.3 氣體密度參數 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2.4 氣體密度分析方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2.5 電漿密度分析方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.3 FWM 預期輸出 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3.1 FWM 的相位不匹配 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3.2 預期輸出 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.3.3 計算結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 第三章 實驗室雷射架構與實驗架設 29 3.1 中央大學 100 兆瓦雷射設施架構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.2 第一實驗站設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2.1 光路介紹 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3 診斷工具 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3.1 主光束 1 成像系統 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3.2 主光束 2 成像系統 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.3.3 探測光成像系統 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3.4 和頻訊號 (SFG) 診斷系統 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.3.5 2D-EUV 光譜儀 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.3.6 刀口法直接量測高階諧波光斑大小 . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.4 實驗參數控制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.4.1 能量控制, enegy tuner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.4.2 兩道光的延遲時間, relative delay . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.4.3 電控光圈, motorized iris . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.4.4 氣體噴嘴結構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.4.5 低壓氣體控制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.5 四波混頻光路架設 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 第四章 實驗結果 43 4.1 主光束 1/主光束 2 診斷結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.1.1 主光束 1 脈衝波形 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.1.2 主光束 1 聚焦品質 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.1.3 主光束 2 脈衝波形 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.1.4 主光束 2 聚焦品質 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.2 高階諧波優化結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.2.1 使用 Ar 氣體優化 HHG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.2.2 優化後 HHG 在第二噴嘴上的光斑大小 . . . . . . . . . . . . . . 52 4.2.3 使用 Ne 氣體優化 HHG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.2.4 優化後 HHG 在第二噴嘴上的光斑大小 . . . . . . . . . . . . . . 56 4.2.5 HHG 最終優化條件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.2.6 強度修正 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.2.7 計算結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.3 氣體/電漿密度診斷 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.3.1 主光束 2 光斑品質 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.3.2 氣體/電漿密度校正 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.4 兩道光在第二噴嘴上的實空間疊合 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.4.1 利用刀口法確認空間疊合 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.4.2 利用 BBO 非線性晶體產生 SFG 訊號確認時間疊合 . . . . . . . 65 4.4.3 真空下和頻訊號 (Sum-frequency generation, SFG) . . . . . . . . 66 4.5 FWM 預期出現位置與參數掃描範圍 . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.5.1 FWM 預期出現位置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.5.2 掃描參數範圍 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.5.3 Ar 的游離率 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.5.4 FWM 相位累積 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 第五章 實驗結果與討論 75 5.1 氣體密度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.1.1 原子之間的距離太長 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.1.2 氣體密度分布不均勻 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.2 Narrow EUV spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 5.3 使用 400 nm 作為四波混頻光源 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.4 高階諧波能量優化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.4.1 增加光源距離與 filter 的距離 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.4.2 使用不同波長脈衝雷射產生高階諧波 . . . . . . . . . . . . . . . 78 5.5 總結 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 參考文獻 79 附錄 A — 單發自相關儀, Single-shot autocorrelator 83 附錄 B — Wizzler 87 附錄 C — 三階相關儀 91 附錄 D — SID4 wavefront sensor 93 D.1 SID4 wavefront sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 D.2 Optical alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 附錄 E — Andor Quantum Effciency 97 E.1 Quantum Effciency Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 附錄 F — Throughput effciency 99 F.1 Hitachi grating diffraction effciency . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 F.2 Aluminum transmission effciency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 附錄 G — Beam1 成像 CCD 101 G.1 Apogee CCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 附錄 H — SFG 成像 CCD 103 H.1 FLIR Grasshopper2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

    [1] Hsu-hsin Chu and Jyhpyng Wang. Effcient extreme-uv-to-extreme-uv conversion by
    four-wave mixing with intense near-ir pulses in highly charged ion plasmas. Phys.
    Rev. A, 97:053840, May 2018.
    [2] Hiroyuki Daido. Review of soft x-ray laser researches and developments. Reports on
    Progress in Physics, 65:1513, 09 2002.
    [3] Philippe Zeitoun, G Faivre, S. Sebban, Jaroslav Nejdl, A Hallou, M. Fajardo,
    D Aubert, Ph Balcou, frédéric Burgy, Denis Douillet, S. Kazamias, G Lachèze-Murel,
    T Lefrou, S Pape, P Mercère, H. Merdji, A Morlens, J Rousseau, and Constance
    Valentin. A high-intensity highly coherent soft x-ray femtosecond laser seeded by a
    high harmonic beam. Nature, 431:426–9, 10 2004.
    [4] P. B. Corkum and Krausz Ferenc. Attosecond science. Nature Physics, Jun 2007.
    [5] Carsten Winterfeldt, Christian Spielmann, and Gustav Gerber. Colloquium: Optimal
    control of high-harmonic generation. Rev. Mod. Phys., 80:117–140, Jan 2008.
    [6] M.E. Couprie. New generation of light sources: Present and future. Journal of
    Electron Spectroscopy and Related Phenomena, 196:3–13, 2014. Advances in Vacuum
    Ultraviolet and X-ray Physics, The 38th International Conference on Vacuum Ultraviolet and X-ray Physics (VUVX2013), University of Science and Technology of
    China.
    [7] Elisa Appi, Christina Papadopoulou, Jose Mapa, Nishad Wesavkar, Christoph Jusko,
    Philip Mosel, Skirmantas Alisauskas, Tino Lang, Christoph Heyl, Bastian Manschwetus, Maciej Brachmanski, Markus Braune, Hannes Lindenblatt, Florian Trost, Severin Meister, Patrizia Schoch, Rolf Treusch, Robert Moshammer, Ingmar Hartl, and Milutin Kovacev. A synchronized vuv light source based on high-order harmonic
    generation at flash. Scientific Reports, 10:6867, 04 2020.
    [8] Brian Mcneil and Neil Thompson. X-ray free-electron lasers. Nature Photonics, 4,
    12 2010.
    [9] Christoph Bostedt, Sébastien Boutet, David M. Fritz, Zhirong Huang, Hae Ja Lee,
    Henrik T. Lemke, Aymeric Robert, William F. Schlotter, Joshua J. Turner, and
    Garth J. Williams. Linac coherent light source: The first five years. Rev. Mod.
    Phys., 88:015007, Mar 2016.
    [10] Wei Cao, Erika R. Warrick, Ashley Fidler, Stephen R. Leone, and Daniel M. Neumark. Near-resonant four-wave mixing of attosecond extreme-ultraviolet pulses with
    near-infrared pulses in neon: Detection of electronic coherences. Phys. Rev. A,
    94:021802, Aug 2016.
    [11] Wei Cao, Erika R. Warrick, Ashley Fidler, Daniel M. Neumark, and Stephen R.
    Leone. Noncollinear wave mixing of attosecond xuv and few-cycle optical laser pulses
    in gas-phase atoms: Toward multidimensional spectroscopy involving xuv excitations.
    Phys. Rev. A, 94:053846, Nov 2016.
    [12] Hsu hsin Chu, Chi-Hsiang Yang, Shih-Cheng Liu, and Jyhpyng Wang. Single-shot
    temporal envelope measurement of ultrashort extreme-uv pulses by spatially encoded
    transmission gating. Opt. Express, 23(26):34082–34092, Dec 2015.
    [13] R. D. Cowan. The theory of atomic structure and spectra. University of California
    Press, 10:12–15, 1981.
    [14] Gérard Mourou. Extreme light physics and application. Nobel Lecture, Dec 2018.
    [15] Donna Strickland. Generating high-intensity ultrashort optical pulses. Nobel Lecture,
    Dec 2018.
    [16] Hsu-hsin Chu. 啾頻脈衝放大技術的發展與應用. physics bimonthly, Feb 2019.
    [17] Robert W. Boyd. Nonlinear Optics / Robert W. Boyd. Academic Press, London, 4th
    ed. edition, 2019.
    [18] A Couairon C M Heyl, C L Arnold and A L’Huillier. Introduction to macroscopic
    power scaling principles for high-order harmonic generation. J. Phys. B: At. Mol.
    Opt. Phys., 50:013001, Dec 2016.
    [19] Eiji Takahashi, Yasuo Nabekawa, Tatsuya Otsuka, Minoru Obara, and Katsumi
    Midorikawa. Generation of highly coherent submicrojoule soft x rays by high-order
    harmonics. Phys. Rev. A, 66:021802, Aug 2002.
    [20] P. B. Corkum, N. H. Burnett, and F. Brunel. Above-threshold ionization in the
    long-wavelength limit. Phys. Rev. Lett., 62:1259–1262, Mar 1989.
    [21] N. H. Burnett and P. B. Corkum. Cold-plasma production for recombination extremeultraviolet lasers by optical-field-induced ionization. J. Opt. Soc. Am. B, 6(6):1195–
    1199, Jun 1989.
    [22] E. M. Lifshitz L D Landau. Quantum Mechanics. Pergamon, 1978.
    [23] Max Born, Emil Wolf, A. B. Bhatia, P. C. Clemmow, D. Gabor, A. R. Stokes, A. M.
    Taylor, P. A. Wayman, and W. L. Wilcock. Principles of Optics: Electromagnetic
    Theory of Propagation, Interference and Diffraction of Light. Cambridge University
    Press, 7 edition, 1999.
    [24] Chi-Hsiang Yang. Single-Shot Intensity Waveform Measurement of Ultrafast ExtremeUV Pulses. Pergamon, 2015.
    [25] Hsu-hsin Chu. Construction of a 10-tw laser of high coherence and stability and its
    application in laser-cluster interaction and x-ray lasers. 國立台灣大學物理學系暨研
    究所, pages p.97–p.98, Jan 2005.
    [26] Jun Liu, Yongliang Jiang, Takayoshi Kobayashi, Ruxin Li, and Zhizan Xu. Selfreferenced spectral interferometry based on self-diffraction effect. J. Opt. Soc. Am.
    B, 29(1):29–34, Jan 2012.
    [27] Shih-cheng Liu. Optimization of the high harmonic generation phase-matching condition with different pump wavelengths. 國立中央大學, 2015.

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