High-order harmonic generation (HHG) from molecules is a window to look into the characteristics of molecular orbitals. Molecular alignment and orientation are necessary to clearly measure the nature of molecular characteristics by controlling the angular distribution of the molecular axis. Femtosecond laser pulses with moderate intensity below the optical field ionization can make impulsive rotational excitation, inducing field-free alignment through the revival of rotational wave packets. In order to investigate molecular alignment and orientation using femtosecond laser pulses, a theoretical study has been performed. From numerical results, the revival structure and laser-pulse dependence of field-free alignment were discussed. Especially, the characteristics of molecular orientation induced by a nonresonant two-color femtosecond laser field were investigated. From the analysis of the rotational dynamics of asymmetric linear molecules, it was revealed that the critical parameter in characterizing the molecular orientation is the hyperpolarizability of molecules which selects the excitation paths of rotational states between parity-changing and parity-conserving transitions. In the case of molecules with small hyperpolarizability, a significant enhancement of orientation was achieved at the half rotational period, instead of the full rotational period. This study for enhancement of the degree of field-free orientation will helps us investigate various polar molecules by HHG.
Multi-orbital characteristics of molecules have been investigated by HHG from aligned linear mole-cules. In the HHG process, an electron is ionized and accelerated by intense laser field, and recombines with the parent ion. The recombining electron coherently interferes with its parent orbital. The high harmonics emitted at this stage, thus, contain the information on molecular orbitals in their amplitude an phase. In order to generate high-order harmonics from aligned molecules, a pump-probe experimental setup was used with a pump pulse for aligning molecular axis and a probe for HHG. Harmonic intensity was recorded while chang-ing the pump-probe time delay to control the degree of molecular alignment. In order to expand the one-dimensional probe pulse to a two-dimensional probe, an orthogonally polarized two-color (ω+2ω) laser pulse was introduced. In the case of the two-color driving field, the polarization of even harmonics follows that of the second harmonic field, while odd harmonics do that of the fundamental field. This enables us to measure the two-dimensional information of molecular orbitals. With the two-color probe pulse, harmonic intensities for even and odd harmonics showed different features, indicating multi-orbital contributions to HHG in CO2. The harmonic intensity of even harmonics followed the degree of alignment, while odd harmonics inversely did. It could be understood within the concept of two-center interference and the contribution of the lower-level molecular orbital HOMO-1. This study will bring out new aspects of two-dimensional high harmonic spectroscopy realized using an orthogonally polarized two-color laser field.
분자로부터 발생하는 고차조화파를 이용하면 분자 오비탈의 특성을 탐구할 수 있다. 분자 축의 각 분포를 제어하는 분자 정렬과 배향은 분자의 특성을 명확하게 측정하기 위해 필요한 기법이다. 광학 마당 이온화가 일어나지 않는 적당한 세기를 갖는 펨토초 레이저 펄스는 분자의 회전 상태를 들뜨게 만들어 회전 파동 묶음의 반복성을 통해 분자 내 자율 정렬을 유도할 수 있다. 펨토초 레이저 펄스를 이용한 분자 정렬과 배향을 탐구하기 위해 이론적 연구를 수행했다. 수치 계산 결과로부터, 자율 정렬의 반복 구조와 레이저 펄스 의존성을 논의 했다. 특별히, 비 공명영역의 2색 펨토초 레이저 마당에 의해 유도된 분자 배향의 특성을 탐구했다. 비 대칭 선형 분자의 회전 동역학을 분석하여, 패리티 변환 전이와 보존 전이 사이에서 회전 상태의 들뜸 경로를 선택하는 분자의 초편극도가 분자 배향의 특성을 결정짓는 매우 중요한 요소임을 밝혀냈다. 초편극도가 작은 분자의 경우, 온 회전 주기가 아닌 반 회전 주기에서 커다란 배향 증진을 얻을 수 있었다 자율 배향도 증진에 대한 이와 같은 연구는 고차조화파를 이용해 다양한 극성 분자를 탐구할 수 있는 기회를 연다는 측면에서 의의가 있다.
분자의 다중 오비탈 특성을 정렬된 선형 분자로부터 발생하는 고차조화파를 이용해 탐구했다. 고차조화파 발생 과정 내에서 전자는 강력한 레이저 마당에 의해 이온화되고 가속된 후, 모 이온과 재결합한다. 재결합하는 전자는 모 오비탈과 결맞게 간섭한다. 따라서 재결합 단계에서 방출되는 고차조화파는 그것의 세기와 위상으로 분자 오비탈에 관한 정보를 포함한다. 정렬된 분자로부터 고차조화파를 발생시키기 위해서, 펌프-프로브 실험 장치를 사용했다. 펌프 펄스는 분자를 정렬시키는데 이용되고, 프로브 펄스는 고차조화파를 발생시키는데 이용된다. 분자의 정렬도에 따라 고차조화파 발생의 변화를 알아보기 위해 펌프와 프로브 펄스간의 시간 지연 간격을 달리해가며 고차조화파를 발생시켰다. 1차원 프로브 펄스를 2차원 프로브 펄스로 확장시키기 위해서, 서로 수직하게 편광 된 2색 레이저 펄스를 사용했다. 2색 레이저 펄스를 사용하는 경우, 발생되는 고차조화파의 짝수 차수의 편광은 2차 조화파의 편광에 따르고, 홀수 차수는 기본 레이저 마당의 편광에 따른다. 이러한 특성은 한 개의 펄스로 분자 오비탈의 2차원 정보를 측정할 수 있게 만든다. 정렬된 이산화탄소 분자에 2색 프로브 펄스를 가해서 고차조화파를 발생시켰을 때, 정렬도 변화에 따른 짝수 차수와 홀수 차수의 고차조화파 세기 변화 양상이 반대로 나타났다. 짝수 차수 조화파의 세기는 정렬도의 변화에 따라 증가, 감소 하는 반면, 홀수 차수 조화파는 정렬도 변화와는 반대로 세기가 변했다. 이와 같은 결과는 2중심 간섭 개념과 고차조화파 발생과정 내에서 보다 낮은 에너지를 갖는 외각 오비탈의 기여를 고려함으로써 이해할 수 있다. 이 연구는 수직하게 편광 된 2색 레이저 마당을 이용해 구현된 2차원 고차조화파 분광학이라는 새로운 측면의 연구 방법을 제시한다는데 큰 의의가 있다.
