[2019年IEEE欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 德国慕尼黑(2019.6.23-2019.6.27)] 2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 基于动态对称性破缺光谱学的电偶极手性高次谐波产生灵敏度研究

摘要： 手性是自然界中广泛存在的一种基本不对称特性[1]。当一个系统与其镜像（即具有相反手性的对应物）不同时，该系统就具有手性，例如圆偏振光或手性分子。这类系统的独特之处在于，在与其他手性物体相互作用之前，其性质完全独立于手性特征。例如，对应手性分子对线偏振光的吸收截面相同，但对圆偏振光的吸收不同，从而产生圆二色性（CD）[1]。传统上通过测量介质对椭圆偏振光响应的手性光学技术来分析手性。然而这类技术依赖于磁偶极或更高阶电矩跃迁，因为电偶极相互作用在各向同性介质中平均为零（在偶极近似中圆偏振光的螺旋螺距可忽略）[1]。因此标准手性光学方法产生的信号非常微弱，尤其在气相中更为明显。 近年来发展的几种基于电偶极的开创性方法产生了更强的手性信号，包括光电子圆二色性[1-4]、库仑爆炸成像[5]和微波三波混频[6]。值得注意的是，高次谐波产生（HHG）被证实具有手性敏感性，能产生相对较强的（高达10%）飞秒级分辨手性信号[7,8]。不过HHG中的手性信号仍基于磁偶极相互作用（与标准技术相同），其信号较强仅源于该过程的非微扰特性。将HHG扩展为产生电偶极手性响应，将为光学探索超快手性及弱手性系统开辟诸多可能。 本文提出并理论探究了一种全新基于HHG的电偶极手性光学方法。该方法通过双色非共线HHG实现，其光束参数基于群论对称性考量被设计为具有反射或反演动态对称性（DS）[9]。该方案导致各向同性非手性介质中禁止的谐波选择定则，在手性介质中因缺乏反射和反演对称性而被打破。因此只有当介质具有手性时才会发射"禁戒"谐波，且其强度与对映体过量值（ee）相关，提供单次测量无背景信号。 我们解析推导了产生电偶极手性响应的普适条件，并通过数值模拟验证了多种可行构型[10]。例如基于DS群论考量[9]，图1(a)所示的双色非共线手性HHG方案——两束强度相当的非共线双色（载波频率比3:5）、反向旋转椭圆偏振光束以2α相对夹角传播——会产生电偶极基"禁戒谐波"信号。当该场作用于非手性介质（如无取向的手性分子外消旋混合物）时，动态反演对称性选择定则（泵浦场在DS变换：(cid:1870)?→-(cid:1870)?, t→t+T/2下不变）[9]禁止偶次谐波发射。但当作用于手性介质时，所有偏振态均会发射偶次谐波且电偶极响应不会平均为零[10]。这是因为介质破坏了泵浦场的反演DS，使得偶次谐波强度与ee相关，而奇次谐波具有手性无关特性可作为参照（见图1(c)）。该方案产生的手性/非手性信号几乎无背景，在手性介质相对于非手性介质的归一化谐波响应中最高可达97%（图1(d)）。