The generation of extreme ultraviolet (EUV) radiation has been a field of much interest due to the potential applications in spectroscopy, nanoscale imaging and machining. In particular, the nonlinear light-matter interaction process of high harmonic generation (HHG) is known to produce broadband coherent EUV radiation, which may be generated in the form of attosecond pulses with short enough driving laser pulses. Traditionally being generated from gaseous atoms or plasma, the process of HHG has recently been demonstrated in solid state materials as well. Although the process in solids exhibits similarities to atomic HHG, there are some discrepancies which occur from many-body effects and propagation effects. Much research has been carried out to reveal the origin of HHG in solids and probe the internal electron dynamics, nevertheless, attempts to generate various different EUV spectra and applications of the resultant radiation haven’t yet been investigated in depth. In this dissertation, we experimentally produce EUV high harmonics from various solid materials and observe its dependence on the driving laser field strength and waveform. Significant spectral modulations of EUV spectra for sapphire and MgO crystals are observed for varying driving laser intensities. In particular, the 7th harmonic in sapphire and 5th harmonic in MgO exhibit significant deformations for increasing laser field strengths. Waveform dependent behaviour of the EUV spectrum is also investigated with the aid of ultrafast pulse shaping techniques. Adapting the 4f configuration, the driving laser spectrum is separated and pulse shaped by a spatial light modulator. The pulses are finally optimized to enhance and control the EUV spectrum into desired shapes with feedback control loops and genetic algorithms. The results of this research exhibit potentials in arbitrary EUV spectrum generation and applications to EUV spectroscopy and attosecond science.
극자외선(EUV) 방사선의 생성은 분광학, 나노 스케일의 이미징 및 가공 기술 등에 대한 잠재적 응용 가능성으로 인해 많은 관심을 갖는 연구 분야이다. 특히, 고차조화파 생성으로(HHG) 불리는 비선형 빛-물질 상호작용 현상은 광대역 결맞음 극자외선 광을 생성하는 것으로 알려져 있으며, 충분히 짧은 구동 레이저를 활용할 경우, 아토초 펄스를 생성할 수 있다. 전통적으로 고차조화파 생성 현상은 기체 혹은 플라즈마 상태의 매질에서 발생하였는데, 최근 고체 매질에서도 발생할 수 있음이 입증되었다. 고체 상태에서의 고차조화파 생성은 원자 상태에서의 생성 과정과 유사함을 보이지만, 다체 효과 및 전파 효과로 인해 약간의 불일치가 있다. 현재 고체에서의 고차조화파 생성 현상의 원리를 밝히고 내부 전자 역학을 조사하기 위해 많은 연구가 수행되고 있지만, 그에 반해 다양한 형태의 극자외선 스펙트럼을 생성하려는 시도와 그 결과 발생하는 극자외선의 응용 방안에 대해서는 아직 심도 있게 조사되지 않았다. 본 학위논문에서는 실험적으로 다양한 고체 물질로부터 극자외선 고차조화파를 생성하고, 구동 레이저장 강도와 파형에 대한 의존도를 관찰한다. 다양한 구동 레이저 강도에 대해 사파이어 및 MgO 결정에서의 EUV 스펙트럼을 관찰한 결과, 확연한 스펙트럼의 변조가 일어남이 확인된다. 특히 사파이어에서의 7차 조화파와 MgO에서의 5차 조화파는, 레이저 강도가 높아짐에 따라 상당한 변화를 보인다. EUV 스펙트럼의 파형에 대한 경향성은 초고속 펄스 성형 기술을 활용하여 조사한다. 4f 구조를 활용하여 구동 레이저 스펙트럼을 분광하고, 공간 광 변조기를 이용하여 펄스 성형을 수행한다. 최종적으로 구동 레이저 펄스는 피드백 루프 제어 및 유전 알고리즘을 통하여 최적화시킬 수 있으며, 생성되는 EUV 스펙트럼의 세기를 증폭시키는 등 원하는 형태로 제어한다. 이 연구의 결과는 임의의 EUV 스펙트럼 생성이 가능함을 보여주며, 추후 EUV 분광학 및 아토초 과학으로의 응용 가능성을 보여준다.
