强激光场下原子单电离的动力学研究

发布时间：2020-07-30 11:20

【摘要】：激光技术的发展,使得人们在实验室中能够得到超强超短脉冲,从而在实验室中观察到了许多强激光场与原子分子相互作用发生的非线性现象,如:阈上电离、高阶阈上电离、高次谐波的产生和非序列双电离等等。对这些现象的研究,有助于我们理解电子在微观尺度的超快运动,亦有助于实现原子分子结构成像以及电荷转移、化学反应等过程的实时探测。近几十年来,人们为了研究这些现象背后的机制,做了大量的实验观测与理论研究。基于所谓的三步模型,人们已经成功地解释了许多现象。然而,对许多现象的机制仍存在争议。本文通过数值求解含时薛定谔方程、KFR理论等方法,致力于研究强激光场与原子相互作用单电离现象中的一些问题,其主要内容包括:一、我们研究了从多光子区域到隧穿区域电子的动力学过程。我们通过数值求解含时薛定谔方程,得到了含时的基态布居数。接着,我们对基态布居数做傅里叶变换,得到了基态布居数所携带的频率信息。然后,我们通过分析基态演化的动力学特征,讨论了电子从多光子区域到隧穿区域的运动行为。二、我们提出了一个通过光电子动量谱重构束缚态布居数的方案。外加两束带有时间延迟的激光脉冲并调控时间延迟,我们可以得到不同时间延迟对应的光电子动量谱。接着,对时间延迟做傅里叶变换,我们可以得到所谓的频率分辨的光-电子光谱。通过理论推导可知:这种光谱不同的位置来自于不同的束缚态电离。基于这种特性,我们提出了一个方案来重构各束缚态的布居数,并用数值求解含时薛定谔方程的方法对这种重构方案进行了验证。三、我们从薛定谔方程出发,建立了一个没有激发态的量子模型。我们用这种模型来理解高阶阈上电离中的类共振增强现象。在我们所计算的体系中,模型基本上可以定量地再现薛定谔方程得到的增强结构。这表明了激发态并不是类共振增强的关键因素。此外,基于模型的框架,我们将运动过程分为三个过程:基态到连续态的直接电离、连续态之间的再散射以及连续态到基态的复合过程。我们发现:在连续态之间的再散射过程中,不同动量转移通道之间的干涉是类共振增强形成的原因。而直接电离和复合过程会影响增强结构的一些细节。最后,我们还对增强结构对激光场强和ATI峰的依赖进行了讨论。
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O562
【图文】：

阈上电离,微扰理论,光电子能谱,光强

逦（１－５）逡逑微扰理论断言的＃＋邋ｓ光子过程的电离率正比于严所以第一阶ＡＴＩ峰应该为逡逑主峰。而在图１．１中，随着光强的增强，主峰向高能部分移动。另外，当光强足够强时，逡逑低阶阈上电离峰还受到抑制。显然，这些现象都不能用微扰理论来解释，也标志着强逡逑场物理与原子相互作用进入了非微扰的研究区域。自此之后，人们对强场物理与原子逡逑相互作用发生的非微扰现象进行了广泛的研究。逡逑３逡逑

阈上电离,多光子电离,光电效应,电离过程

／ｐ表示电离能，Ｗ和＾表示吸收的光子数，＆表示光电子的能量，如表示一个光子的逡逑能量。逡逑此时，可以将激光场视作准静态场。而如图１．３（ａ）所示，原子的库仑势和激光场耦合逡逑后，将在电场的极化方向上形成一个势垒。束缚电子可以借助隧穿方式穿过该势垒而逡逑实现电离，该过程被称为隧穿电离。逡逑早在１９６４年，为了描述电离过程，Ｋｅｌｄｙｓｈ定义了一个绝热参数，即著名的Ｋｅｌｄｙｓｈ逡逑参数［丨0】逡逑ｃ0邋Ｊ２ｍｅＩｐ邋／邋Ｉｐ逡逑叫（Ｍ0）逡逑当时，隧穿电离主导电离过程；当ｙ？ｌ时，多光子电离主导电离过程。这种区逡逑域的划分也可以通过经典过程来处理。电场与库仑势形成的势垒的宽度为／邋＝邋／ｐ／ｅ￡0，逡逑而／Ｐ能量对应的速度为ｖ＝逦则电子穿过势垒所需要的时间为逡逑Ｉ邋＼ｍｅＩｐ邋１逡逑（Ｍ１）逡逑于是，电子通过势垒的时间与激光场周期的比值为逡逑ｔ逦／逦＾逡逑0？ｃｏｔ邋？Ｙ．逦（１－１２）逡逑所以，当ｙ？ｌ时，电子穿过势垒的时间远远小于激光周期，可以将电离过程认为是逡逑在静电场中的隧穿电离；当ｙ？ｌ时

半经典,隧穿,势垒,机制

Ｗ表示磁量子数，可0为隧穿电离时刻的电场强度。逡逑１．１．５越垒电离逡逑如图１．３（ｂ）所示，随着激光场强的增大，原子的势垒会被压得越来越低，甚至低于逡逑原子的基态能量。此时，束缚电子可以直接越过该势垒而实现电离，这种电离过程称逡逑作越垒电离。我们通过一个简单的计算，即可求得越垒电离的场强条件。越垒电离的逡逑条件为逡逑－ｒ0Ｅ邋＜邋－Ｉｐ．逦（１－１４）逡逑厂。逡逑其中，表示势垒的最高点的位置，其满足逡逑基（－Y"—邋＃）邋＝邋０．逦（１－１５）逡逑６逡逑

【参考文献】