论文部分内容阅读
原子在强激光场中的电离是光与物质相互作用的一个重要方面,对它的研究不仅具有重要的科学价值,而且具有广阔的应用前景。一方面隧穿电离和多光子电离等强场物理新现象可以帮助我们认识到原子本身的性质并促进其他学科的发展,另一方面由这些新现象可以衍生出许多新技术如超快测量等。其中,阿秒钟技术就是依据原子在椭圆偏振脉冲激光场中的电离发展而来的,因此近年来原子在椭圆偏振激光场中表现出来的电离性质成为强场物理中备受瞩目的一个焦点。本论文就重点研究了强椭圆偏振场中原子电离的残存机制、库仑势对电子角分布的影响以及椭偏率对光电子能谱的制约等问题。理论研究借助的主要工具是隧穿电离半经典系综模型,它具有具有物理图像清晰、计算量小等优点被广泛用来解释强激光场中原子电离现象。所得研究成果为理解极端条件下电子复杂动力学行为和进一步开发阿秒钟等先进光学技术具有非常重要的意义。全文共六章主要内容如下: 第一章:简单回顾了超短超强激光发展历史,介绍了强场物理的新奇现象以及研究意义,并给出我们的研究课题和全文安排。 第二章:依次介绍了强场物理研究常用三种理论体系,分别是全经典理论、全量子理论和半经典理论。通过比较各自的优缺点,我们发现半经典理论在实施起来最为简单有效,并将它推广到椭圆偏振激光场中。 第三章:深入阐述了椭圆偏振激光场中原子电离残存机制。在这一部分我们主要研究了稀有气体原子和碱土金属原子在不同椭偏率下的残存情况,结果发现从特定激光初始相位和初始横向速度窗口隧穿的原子在激光脉冲结束之后不会电离。我们命名该窗口为残存窗口。残存窗口随激光椭偏率移动,且窗口宽度与激光强度和原子电离能有关。中性原子产率可以通过对从残存窗口出射的所有电子的隧穿率求和得到。我们的理论定量地重现了实验上观测到的氦原子产率随激光椭偏率的分布。对于其它电离能比较小的原子例如镁原子,从残存窗口理论计算所得中性原子产率分布比强场近似模型要宽,但更接近三维半经典电子系综模拟结果,这说明库仑效应对电离能比较小的原子的隧穿影响更大。而残存窗口理论与半经典理论结果差异是由于电子轨道没有考虑多次散射造成的。另外,我们还研究了原子残存率随椭偏率变化函数对激光强度的敏感关系,这对标定超强场激光强度有一定指导意义。 第四章:分析了椭圆偏振激光场中库仑作用对原子电离角分布的影响。研究发现,直接电离过程中的库仑作用对角分布不对称结构的形成起主导作用,而再散射会对电子从各个方向的出射几率有一定的微调作用。另外,我们发现再散射对电子的库仑作用由散射后瞬间电子的位移和速度决定。并给出两种方法来修正直接电离过程,其中“有效库仑点修正”对电离能比较大的原子修正较好,但不适用于电离能比小的原子,而“有效库仑线段修正”正好弥补了这一缺点,但是它的近似程度很大,还需要进一步地完善。原子电离能和激光椭偏率共同决定电子角分布峰值位置,而激光强度的大小可以用来控制峰的尖锐程度。 第五章:研究了强椭圆偏振激光场中的原子电离能谱。研究发现,椭圆偏振光场中的能谱由光滑下降区和振荡平台区两部分构成,但受椭偏率影响很大。随着椭偏率增大,能谱主峰值不断向能量大的方向移动,同时光滑区域不断增大,振荡区域不断较小。当激光达到圆偏振时,能谱完全变为一条光滑曲线。另外椭圆偏振场中的能谱结构还与原子电离能和激光强度有关。随着原子电离能的减小,电离率成倍增长,而且能谱光滑区和平台区分界线不断向右移动,而当激光强度增大到一定程度接近越垒值时,在光滑区也出现了一个平台结构,整个光电子能谱呈现出双重平台结构。 第六章:总结了本文的主要研究结果并对强场物理的未来发展和今后的研究工作进行了展望。