强激光场下光电子超快动力学的理论研究

发布时间：2020-11-20 05:23

　　 随着激光技术的不断发展,超强、超短的激光脉冲与原子、分子、凝聚态相互作用带来了很多新的物理现象。强场物理的研究为人们探测和调控物质的超快动力学过程提供了强有力的技术手段,具有重大的科学意义和应用价值。本文发展了经典轨迹蒙特卡洛方法和德布罗意-波姆力学分析方法,结合数值求解含时薛定谔方程,深入地研究了激光场作用下电子在库伦势和周期势中的超快动力学过程,主要内容由三部分组成:第一部分中,我们研究了太赫兹波的产生、低能光电子和里德堡态电子产生等近阈过程之间的联系。利用三维经典轨迹蒙特卡洛方法,给出了线偏双色场和少周期激光场中电子的隧穿坐标与末态能量的对应关系,发现库伦势的聚焦效应在三种过程中都有着重要作用。通过分析电子谱随激光场不对称性的调制行为,发现太赫兹的产生与低能光电子相同,主要由前向散射电子的贡献,而里德堡态电子产额的调制则与太赫兹的产生的调制行为相反。在这一工作中,首次建立了三种近阈值过程的联系,为实现太赫兹波和光电子的同步测量奠定了理论基础。第二部分中,我们研究了基于太赫兹偏振测量的全光阿秒钟技术。通过计算少周期圆偏激光脉冲作用下的光电子动量谱和光电流,发现二者的偏转角相同。由于基态耗散和库伦势对偏转角的影响,偏转角随着激光光强的变化曲线显示出膝形结构。这一结构在不同波长激光作用下的不同原子体系中普遍存在。结合太赫兹空气偏置相干测量技术,测量了圆偏基频+线偏倍频的双色激光场与惰性气体靶相互作用中产生的太赫兹电场,发现产生的太赫兹波的偏振方向随双色场相位延迟的变化而发生转动。偏转角随激光光强的变化曲线同样显示出膝型结构,说明了基于太赫兹偏振测量的全光阿秒钟可以实现传统阿秒钟相同的测量过程。第三部分中,我们研究了固体谐波产生过程与隧穿波包的辐射特性。首次在固体谐波的产生过程中引入量子轨迹的概念,利用德布罗意-波姆力学方法分析了电子在周期势中的超快动力学过程,发现由于电子波包的非局域性,量子轨迹表现出相似的动态布洛赫振荡,但不同轨迹的辐射谱有着较大差别。随着激光强度的逐渐增大,动态布洛赫振荡频率增大,与此同时,可能会出现量子轨迹跟随激光波形的整体移动。在电子隧穿波包的辐射特性的研究中发现,在无外场的情况下,随着波包初始能量的增加,在势垒的上升沿和下降沿出现两个辐射的产生时刻。可以实现通过辐射谱的振荡结构反推辐射产生的时间和空间信息,为全光阿秒钟技术的实现提供了新的思路。在静电场的驱动下,反射的波包会重新加速回到势垒附近,发生波包的干涉,出现更为复杂的辐射结构。
【学位单位】：国防科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN241
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 强激光场与原子相互作用过程
        1.2.1 阈上电离及低能电子结构
        1.2.2 高次谐波的产生
        1.2.3 太赫兹波的产生
        1.2.4 里德堡态电子的产生
    1.3 阿秒光谱技术简介
        1.3.1 阿秒条纹相机技术与光电离动力学
        1.3.2 阿秒钟技术与隧穿电离动力学
        1.3.3 阿秒瞬态吸收光谱技术
    1.4 强激光场中固体谐波的产生
        1.4.1 固体谐波的实验进展
        1.4.2 固体谐波的理论进展
    1.5 本文研究内容
第二章 理论方法
    2.1 理论基础
        2.1.1 激光场的描述
        2.1.2 含时薛定谔方程
    2.2 数值求解含时薛定谔方程
        2.2.1 波函数的传播
        2.2.2 光电子谱的计算
        2.2.3 辐射谱的计算
    2.3 经典轨迹蒙特卡洛方法
        2.3.1 计算方法
        2.3.2 经典轨迹蒙特卡洛方法的量子修正
    2.4 德布罗意-波姆力学方法
    2.5 三种计算方法的特点
第三章 强激光场中低能电子动力学与太赫兹波的产生
    3.1 太赫兹波的产生与低能电子产生的关系
        3.1.1 研究背景
        3.1.2 理论方法
        3.1.3 结果与讨论
        3.1.4 总结
    3.2 太赫兹波的产生与里德堡态电子产生的关系
        3.2.1 研究背景
        3.2.2 理论方法
        3.2.3 结果与讨论
        3.2.4 总结
    3.3 本章小结
第四章 基于太赫兹探测的全光阿秒钟研究
    4.1 少周期圆偏激光场中光电流的偏转角研究
        4.1.1 研究背景
        4.1.2 计算方法
        4.1.3 结果与讨论
        4.1.4 总结
    4.2 全光阿秒钟技术的初步探索
        4.2.1 实验装置与测量结果
        4.2.2 分析与讨论
        4.2.3 总结
    4.3 本章小结
第五章 固体高次谐波产生过程的电子动力学研究
    5.1 固体谐波产生过程中动态布洛赫振荡的波姆力学分析
        5.1.1 研究背景
        5.1.2 理论方法
        5.1.3 结果与讨论
        5.1.4 结论
    5.2 隧穿电子波包的辐射性质研究
        5.2.1 研究背景
        5.2.2 理论方法
        5.2.3 无外场时隧穿波包的辐射
        5.2.4 外场加速下隧穿波包的辐射
        5.2.5 总结
    5.3 本章小结
第六章 总结与展望
致谢
参考文献
作者在学期间取得的学术成果
附录A 原子单位制
附录B 相关公式的详细推导
    B.0.1 隧穿位置公式的推导
    B.0.2 渐近动量公式的推导

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本文编号：2891013