强激光驱动的原子、分子、真空的电离

发布时间：2020-07-24 04:38

【摘要】：自从锁模技术和啁啾脉冲放大技术发明以来,超短超强激光技术已逐渐成熟。超短超强激光广泛应用于生物学、化学、材料学、医学以及物理学。在物理学领域,现代的超短超强激光允许我们在阿秒时间尺度上研究微观世界中的超快过程,同时把对光与物质相互作用的研究推到前所未有的强度级别。中等强度激光对应的电场强度和原子分子中最外层电子的库伦电场量级相同,因此原子分子在激光场的作用下发生电离,产生自由电子和离子。电离过程是原子分子物理中众多研究方向的核心,这些研究方向包括高次谐波的产生、非次序双电离、电子抖落电离和抖落激发等。我们可以通过实时控制电子的运动来操控包括上述几个过程在内的广泛的超快动力学过程。传统意义上研究光与物质相互作用主要是研究原子、分子、等离子体在外场中的响应。然而随着高速发展的激光技术,如今激光的峰值强度已经超过了10~222 W/cm~2,同时随着世界上各大超强激光装置例如ELI,XCELS,HiPER等的建设,10~266 W/cm~2量级的激光强度也已不再遥不可及。超强的激光脉冲将打开研究QED过程的大门,当外场强度达到施温格阈值(～10~299 W/cm~2)时,真空将被击穿,产生电子和正电子。本论文主要研究了超短超强激光作用下的两个不同方向的物理过程,其一是中等强度(～10~155 W/cm~2)的飞秒或亚飞秒激光与原子分子的相互作用,其二是超强激光导致的真空电离。除绪论以外本文论述的主要内容为:第一部分我们介绍了外场与原子分子和真空相互作用的各种数值和解析的方法。为了处理原子分子在激光场中的动力学行为,我们引入了含时薛定谔方程及其对应的含时微扰解、强场近似解、以及基于第一性原理的数值解法。为了处理真空的电离和正负电子对的产生,我们介绍了计算量子场论,以及含时狄拉克方程的微扰近似解和准确的数值解。第二部分我们研究了原子在强场中的电离,包括氦离子的单电离和氦原子的双电离两方面的工作。第一个工作研究了双色XUV激光场驱动的氦离子中两个单电离通道的干涉,我们观察到不对称的光电子动量谱,同时发现干涉极小值的位置强烈地依赖于激光场的载波相位、光子能量、强度、脉宽以及旋转方向。当其中一束激光场的光子能量等于氦离子基态和第一激发态之间的能级差,通过增加该激光场的强度或脉冲宽度,基态和第一激发态之间将形成拉比振荡,我们研究了拉比振荡对单电离通道干涉的影响。第二个工作研究了EUV激光和一束超短IR激光的组合场作用下氦原子中的次序双电离和非次序双电离。设置组合场中两束激光的延迟使EUV激光位于IR激光场的峰值以后,次序双电离和非次序双电离的电子可能具有相同的末态动量,此时电子联合动量谱将呈现新奇的干涉结构。第三部分我们以氢分子为作用对象研究了分子在强场中的电离。第一个工作关注固定原子核时氢分子单电离过程中的电子-电子关联,分别讨论了XUV激光场和IR激光场作用于氢分子时束缚态电子的响应。数值结果显示当氢分子的第一个电子发生隧穿电离时,电离过程中两个电子的关联非常强烈,此时束缚态电子有足够的时间来适应新的基态H_2~+的势。尤其是在激光场偏振方向和分子轴方向相互垂直时,相互作用后氢分子离子几乎都处在H_2~+的基态。然而,在单光子单电离事件中,上述的这种关联可以忽略不计,电离以后氢分子离子有很大的概率处于第一激发态。第二个工作研究了第一个电子电离以后氢分子离子的原子核运动对高次谐波相位的影响,原子核质量的不同使氘分子和氢分子的高次谐波存在稳定的相对相位差,通过谐波实部和虚部的空间密度分布,可以分析相位差产生的原因。第四部分讨论了强激光中真空的电离以及正负电子对的产生。数值求解含时狄拉克方程可以得到激光场作用于真空时正负电子对的产生率。正负电子对产生机制可以根据参数η(=ωc/E)的值进行区分,这里E和ω分别是外场的幅度和频率,c是光速。η?1的区域被认为是准静态区域,产生正负电子对的机制主要是隧穿。同时,当η?1时,外场的作用可以使用微扰理论描述,产生正负电子对的机制是多光子吸收。数值计算得到的产率可以认为是准确的产率,允许我们在广泛的参数范围内与基于各种近似理论得到的解析公式的值进行比较。如果E/c~3和ω/c~2这两个参数都小于1或者参数η远小于1,基于WKB近似的解析公式预测的产率和真实的产率较符合。在多光子吸收区域,微扰解和准确的产率值符合得很好,然而基于WKB理论的解析公式将失效。在最有趣的中间区域,即η～1时,只有数值求解狄拉克方程能得到可信的正负电子对产率。此外,我们通过观测随时间演化的总粒子数目以及电子和正电子的空间密度分布来分析真空中产生正负电子对的动力学特征。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O56;TN24
【图文】：

激光脉冲宽度,跨度,纵轴,量级

相互作用、等离子体物理、核物理等。这些不同方向的探究得以实现主要是因为激光技术在两个分支方向的重大发展，一个是激光脉宽的缩短，另一个是激光峰值强度的提升[16]，如图1 1所示。几 TW 的飞秒激光已经实现，同时好几个实验室已经成功产生了阿图 1 1 激光脉冲宽度和强度的逆线性关系，纵轴和横轴各跨度 18 个数量级。不同的强度和脉宽跨度不同的物理领域，例如原子分子物理、相对论等离子体、超相对论和真空非线性等。图中蓝色的点代表实验结果，红色的点代表数值模拟或者理论结果。图片来自文献 [16]。Fig 1 1 An inverse linear dependence exists over 18 orders of magnitude between the pulse duration ofcoherent light emission and the laser intensity. These entries encompass different underlying physicalregimes that exhibit molecular, bound atomic electron, relativistic plasma, ultrarelativistic, and vacuumnonlinearities. Blue patches represent experimental data; red patches denote simulation or theory.秒脉冲，阿秒尺度下我们可以探测电子的运动以及分子的化学反应 [11]。这里值得提及— 2 —

激光光子,欧洲,图片,能量

辅以光子吸收，这时外场强度即使没有达到 Schwinger 阈值，仍然会有正负电子对的产生 [50]。尽管现在的光子能量远低于真空中正负能隙的能量，激光的光子能量如图1 2所示。自由电子激光或 X 射线激光源的发展 [51]（FLASH，LCLS，XFEL，SACLA等 [52 55]）使得研究真空的离化这个过程至关重要，因为我们相信未来能够直接观测到光与物质的相互转化。图 1 2 FLASH, LCLS, 和欧洲 XFEL 产生的激光光子能量的比较，图片来自文献 [7]。Fig 1 2 Comparison among the peak brilliances of the three facilities FLASH, LCLS, and European XFELas a function of the laser-photon energy.— 4 —

阈上电离,光电子能谱,图片,文献

幂指数关系在激光强度达到一定阈值时将不再适用，超过这一阈值将不再有电离率的增加，因为对某个给定的激光脉宽，当激光强度还未达到，靶原子就已经完全电离。前面已经提过随着激光强度不断提高，多光子电离呈现出非微扰的属性，如下图1 3所示的阈上电离 (above-threshold ionization, ATI) 光电子能谱。ATI 电离过程中，原子吸收的光子数目超过电离能所需要的光子数目 [64, 65]。我们先避开微扰论的弊端不谈，对应 ATI 的微扰论公式可以从公式 (1 1) 修改为 [66](1 2)这里代表超过电离能以外额外吸收的光子数目，公式 (1 2) 很快在实验上被证实 [61]。此后经过一年的时间，Kruit 等人的实验 [65] 观测到 ATI 谱中的第一个峰消失了同时其余的峰也不符合公式 (1 2) 的规律，其他实验也陆续报道了类似的非微扰现象 [67 69]。图1 3给出了随着激光强度的增加，ATI 谱的特点从微扰到非微扰的转变过程。这是因为原子的能级由于与强场的耦合会产生动态的平移，即 AC-Stark 效应。能级移动的位置等于自由电子在振荡场中的有质动力能

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