With the advancement of ultrashort high-power laser technologies, it is now feasible to apply laser pulses having an arbitrary shape. Interaction of such strong laser pulses with atoms, molecules, or solids can reveal ultrafast excitation and ionization dynamics as well as electronic structures of the interacting matter. The precise knowledge of the waveform of driving pulses is required to accurately understand underlying physics of laser-matter interactions. We have explored an optical waveform measurement of femtosecond laser pulses by making use of high harmonic generation (HHG) processes.
This waveform measurement of optical pulses was demonstrated through simulation and experiment using the basic principle of the petahertz optical oscilloscope. By adding weak signal pulses to the generation of isolated single attosecond pulses to perturb the interaction process, we successfully retrieved the waveform of the signal pulses both in simulation and in experiment. The accuracy of measurement was however deteriorated if the signal wavelength was changed. In order to overcome this limitation, a theoretical investigation was carried out to the process of HHG from atoms driven by two femtosecond laser pulses with different intensities. Using the strong-field approximation model, the dependence on wavelength was analyzed and explained in terms of the electron quantum path of HHG. The result from this model was compared with the one obtained by solving the time-dependent $Schr\ddot{o}dinger$ equation.
A method improving the accuracy of this technique was presented and applied to show good agreement between the measurement and the input waveform in the ultraviolet range in which the approximation used in the petahertz optical oscilloscope fails. Our fast and efficient waveform characterization method will greatly facilitate the advancement of ultrafast atomic and molecular dynamics by clarifying the temporal structure of interacting pulses.
극초단 고출력 레이저 기술의 발전과 더불어, 이제는 다양한 파형의 레이저 펄스를 생성하여 물질과의 상호작용을 연구하고 있다. 이런 극초단 레이저와 물질간 상호작용의 물리적 원리를 올바르게 이해하기 위해서는 구동하는 펄스의 정확한 파형을 알아야 한다. 본 연구에서는 고차조화파를 이용하여 펨토초 레이저의 광학파형을 측정하는 방법에 대해 탐구하였다.
페타헤르츠 광학 오실로스코프의 기본 원리를 이용하여 전산모사와 실험을 통하여 광학파형을 측정하였다. 단일 아토초 펄스 생성과정에 약한 신호 펄스를 추가할 때 생기는 섭동을 통해 신호 펄스의 파형을 성공적으로 복구할 수 있었지만, 측정의 정확도가 신호펄스의 파장에 따라서 다르게 나타났다. 파장에 따른 고차조화파의 변화를 이론적으로 분석하여 그 원인과 극복 방법을 알아보았다. 강력장 근사 모델과 슈뢰딩거 방정식을 수치적으로 풀어서 파형 측정 원리를 전자의 양자 궤도를 이용하여 설명하였다. 이를 바탕으로 파형측정의 정확도를 향상시키는 방법을 제안하였고, 본래의 측정법이 적용될 수 없었던 자외선 영역의 신호 파형을 정확히 측정할 수 있음을 보았다. 본 연구의 빠르고 효율적인 파형 측정법은 작용하는 펄스의 시간 구조를 밝힘으로써 초고속 원자 분자 동역학의 발전에 중요한 기여를 할 것이라고 기대한다.
