强激光场中原子产生电离阈值下谐波的机制研究
发布时间：2021-12-11 21:05
随着激光技术的不断发展,高强度的激光与原子、分子以及团簇等相互作用会释放出频率为激光频率高阶倍的高能光子,即产生高次谐波的发射。由于高次谐波辐射可以产生阿秒尺度范围的极紫外光源,并且使用这种超短的阿秒级激光脉冲可以实现对微观尺度下原子或分子中电子动力学的实时观测和控制,因此得到了越来越多的关注。经典的三步模型可以解释高次谐波的发射机制,首先电子通过势垒发生隧穿电离,随后电子在激光场的作用下加速,当激光场的方向改变时,电子反向加速与母核发生复合最终以高能光子的形式辐射出去。近年来,由于低于电离阈值的谐波可以产生真空紫外频率梳,因此得到了人们的广泛关注。尽管经典的三步模型可以给出高次谐波产生的物理图像,但是不能很好的解释低能谐波的动力学过程。另外,广泛采用的强场近似方法由于忽略了束缚态的贡献,也不能用来描述低于电离阈值的高次谐波产生。低于电离阈值高次谐波的性质要通过数值求解含时薛定谔方程来描述。本文通过广义伪谱方法精确数值求解了氢原子在强激光场中的三维含时薛定谔方程,研究了氢原子在强激光场中发射低于电离阈值谐波谱对激光强度的依赖性。伪谱方法求解含时薛定谔方程具有以下优点,也就是根据原子中电...
【文章来源】：西北师范大学甘肃省
【文章页数】：55 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
微观世界结构和动力学的时间尺度[4]
第1章绪论2日常时间中最小时间单位为秒（s），但是随着对微观世界的不断探索，描述此过程需要在瞬态完成，快门相机的出现将时间尺度缩小为毫秒（ms）量级,于是人们发现马在奔跑的过程中，四个脚都是离开地面的。而观测原子的动力学过程时间尺度一般是在飞秒量级，于是要观测动力学行为就必须使得激光脉宽要达到飞秒量级（151fs10s），所以出现了飞秒激光脉冲。而原子周围电子的运动时间尺度一般发生在更短的阿秒（181as10s）量级，阿秒脉冲一般用于电子的隧穿电离和内壳层电子的弛豫过程的超快过程观测与控制，因此阿秒脉冲可以用来研究电子的运动过程，所以人们致力于获得更短的阿秒脉冲的研究[5-11]。图1.2激光强度的发展历程[4]1958年Schawlow等人首先提出了OpticalMaser技术在红外和光学领域的扩展方法[12]，随后1960年Maiman等人研究并制造了世界上首台红宝石固态激光器并且证明了光学脉泽具有相干性和受激辐射的性质[13,14]，“光学脉泽”一词最初用于技术文献，后来用“激光”所取代，这就产生了基于激光脉泽原理的振荡器和放大器。由于激光具有很好的相干性、方向性、单色性等独特的性质，所以激光器的突然出现彻底颠覆了人们对于微观领域的认识，使我们发现了更多的非线性光学现象。图1.2展示了激光强度的发展历程。初期，激光采取自由输出的形式来实现，这种形式下的激光强度能够达到23W/cm10。随后Q-modulation技术以及Mode-locked技术[15-20]的相继出现将激光脉冲从毫秒（s10ms13）量级提高到纳秒（s10ns19）、皮秒（s10ps112）量级并且激光强度可以达到215cm/W10量级，于是能够得到脉冲强而短且多周期的激光。后来十年内，由于激光放大器材
第1章绪论3料和光学损耗，使得激光强度的峰值强度达到了一个瓶颈，尽管每个脉冲中的光子数量仅略有增加，直到1985年法国籍科学家Mourou和他的学生Strickland提出了啁啾脉冲放大技术（ChirpedPulseAmplification,CPA）[21-23]，将激光强度提高了近10个量级，从而也将激光装置的体积和成本降低了许多，因此Mourou和Strickland一起获得了2018年诺贝尔物理学奖。CPA的原理如图1.3所示，首先将连续波锁模(Nd：YAG)产生150ps的种子脉冲激光源，并且使用单模非保偏光纤作为展宽器。当这束种子脉冲激光经过展宽器之后，脉冲的峰值功率会被大大的缩减。然后将激光入射到硅酸盐钕的激光放大器中，这样保证了元器件不会因为聚焦效应而损坏。最后将放大之后的啁啾脉冲激光入射到由一对平行光栅组成的压缩器。这样做的目的是将光栅对的负色散补偿和抵消展宽器的附加的正色散，最终得到了脉宽为2ps，脉冲能量为1mJ，中心波长为1.062μm的激光脉冲，从而大大提高了激光脉冲的强度。图1.3啁啾激光脉冲放大技术简图[24]随着激光强度的不断发展，使得观测和控制原子内部电子的动力学过程逐渐可行。当超短的红外激光束通过非线性频率转换技术产生紫外（UV）或极紫外（XUV）次飞秒光束时，“阿秒”开始进入物理学家的研究领域。从二十世纪末至今，随着对微观世界的不断探索，在研究原子中电子的运动情况时阿秒量级的激光脉冲发挥着重要作用。因此如何获得更短的阿秒脉冲也就成为了强场物理的重要研究课题。近来，欧盟极端光基础设施（ELI）项目将在欧洲建立一个激光研究设施，将为国际科学用户群体打造世界级激光研究能力，用于研究高强度光与物质相互作用。该项目主要设在三个地点：位于匈牙利的“阿秒激光脉冲源”设施（ELI-ALPS）、位于捷克共和国的“粒子与X射
【参考文献】：
期刊论文
[1]三色圆偏振激光组合脉冲驱动氦原子产生椭圆偏振的阿秒脉冲[J]. 王志斌,焦志宏,周效信. 原子与分子物理学报. 2020(01)
[2]Role of the dressed and bound states on below-threshold harmonic generation of He atom[J]. 周建伟,焦志宏,李鹏程,周效信. Chinese Physics B. 2019(10)
[3]探索亚原子世界的利器——阿秒光脉冲[J]. 周胜鹏,刘爱华. 现代物理知识. 2019(03)
[4]啁啾脉冲放大技术——从超快激光技术到超强物理世界[J]. 魏志义,王兆华,滕浩,韩海年,常国庆. 物理. 2018(12)
[5]Low-order harmonic generation of hydrogen molecular ion in laser field studied by the two-state model[J]. 杜玲玲,王国利,李鹏程,周效信. Chinese Physics B. 2018(11)
[6]原子发射高次谐波的优化控制和动力学分析[J]. 王国利,李鹏程,李小勇,赵松峰,周效信. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2017(03)
[7]改进的Morlet小波及其变换[J]. 姬战怀,严胜刚. 计算机工程与应用. 2016(14)
[8]极端光设施:使命与挑战[J]. Gérard Mourou. 光学与光电技术. 2012(03)
[9]强激光场中原子的束缚态和连续态对高次谐波的影响[J]. 周效信,李白文. 物理学报. 2001(10)
博士论文
[1]强激光场下光电子超快动力学的理论研究[D]. 刘金磊.国防科技大学 2018
[2]Morlet小波变换理论与应用研究及软件实现[D]. 罗光坤.南京航空航天大学 2007
硕士论文
[1]强场下氢分子高次谐波发射及孤立阿秒脉冲的产生[D]. 田艳荣.吉林大学 2019
[2]原子在强激光场中产生高次谐波的时频特性研究[D]. 焦元祥.西北师范大学 2016
[3]基于DCT的实值离散Gabor变换及其快速算法[D]. 魏道昀.安徽大学 2007
本文编号：3535398
【文章来源】：西北师范大学甘肃省
【文章页数】：55 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
微观世界结构和动力学的时间尺度[4]
第1章绪论2日常时间中最小时间单位为秒（s），但是随着对微观世界的不断探索，描述此过程需要在瞬态完成，快门相机的出现将时间尺度缩小为毫秒（ms）量级,于是人们发现马在奔跑的过程中，四个脚都是离开地面的。而观测原子的动力学过程时间尺度一般是在飞秒量级，于是要观测动力学行为就必须使得激光脉宽要达到飞秒量级（151fs10s），所以出现了飞秒激光脉冲。而原子周围电子的运动时间尺度一般发生在更短的阿秒（181as10s）量级，阿秒脉冲一般用于电子的隧穿电离和内壳层电子的弛豫过程的超快过程观测与控制，因此阿秒脉冲可以用来研究电子的运动过程，所以人们致力于获得更短的阿秒脉冲的研究[5-11]。图1.2激光强度的发展历程[4]1958年Schawlow等人首先提出了OpticalMaser技术在红外和光学领域的扩展方法[12]，随后1960年Maiman等人研究并制造了世界上首台红宝石固态激光器并且证明了光学脉泽具有相干性和受激辐射的性质[13,14]，“光学脉泽”一词最初用于技术文献，后来用“激光”所取代，这就产生了基于激光脉泽原理的振荡器和放大器。由于激光具有很好的相干性、方向性、单色性等独特的性质，所以激光器的突然出现彻底颠覆了人们对于微观领域的认识，使我们发现了更多的非线性光学现象。图1.2展示了激光强度的发展历程。初期，激光采取自由输出的形式来实现，这种形式下的激光强度能够达到23W/cm10。随后Q-modulation技术以及Mode-locked技术[15-20]的相继出现将激光脉冲从毫秒（s10ms13）量级提高到纳秒（s10ns19）、皮秒（s10ps112）量级并且激光强度可以达到215cm/W10量级，于是能够得到脉冲强而短且多周期的激光。后来十年内，由于激光放大器材
第1章绪论3料和光学损耗，使得激光强度的峰值强度达到了一个瓶颈，尽管每个脉冲中的光子数量仅略有增加，直到1985年法国籍科学家Mourou和他的学生Strickland提出了啁啾脉冲放大技术（ChirpedPulseAmplification,CPA）[21-23]，将激光强度提高了近10个量级，从而也将激光装置的体积和成本降低了许多，因此Mourou和Strickland一起获得了2018年诺贝尔物理学奖。CPA的原理如图1.3所示，首先将连续波锁模(Nd：YAG)产生150ps的种子脉冲激光源，并且使用单模非保偏光纤作为展宽器。当这束种子脉冲激光经过展宽器之后，脉冲的峰值功率会被大大的缩减。然后将激光入射到硅酸盐钕的激光放大器中，这样保证了元器件不会因为聚焦效应而损坏。最后将放大之后的啁啾脉冲激光入射到由一对平行光栅组成的压缩器。这样做的目的是将光栅对的负色散补偿和抵消展宽器的附加的正色散，最终得到了脉宽为2ps，脉冲能量为1mJ，中心波长为1.062μm的激光脉冲，从而大大提高了激光脉冲的强度。图1.3啁啾激光脉冲放大技术简图[24]随着激光强度的不断发展，使得观测和控制原子内部电子的动力学过程逐渐可行。当超短的红外激光束通过非线性频率转换技术产生紫外（UV）或极紫外（XUV）次飞秒光束时，“阿秒”开始进入物理学家的研究领域。从二十世纪末至今，随着对微观世界的不断探索，在研究原子中电子的运动情况时阿秒量级的激光脉冲发挥着重要作用。因此如何获得更短的阿秒脉冲也就成为了强场物理的重要研究课题。近来，欧盟极端光基础设施（ELI）项目将在欧洲建立一个激光研究设施，将为国际科学用户群体打造世界级激光研究能力，用于研究高强度光与物质相互作用。该项目主要设在三个地点：位于匈牙利的“阿秒激光脉冲源”设施（ELI-ALPS）、位于捷克共和国的“粒子与X射
【参考文献】：
期刊论文
[1]三色圆偏振激光组合脉冲驱动氦原子产生椭圆偏振的阿秒脉冲[J]. 王志斌,焦志宏,周效信. 原子与分子物理学报. 2020(01)
[2]Role of the dressed and bound states on below-threshold harmonic generation of He atom[J]. 周建伟,焦志宏,李鹏程,周效信. Chinese Physics B. 2019(10)
[3]探索亚原子世界的利器——阿秒光脉冲[J]. 周胜鹏,刘爱华. 现代物理知识. 2019(03)
[4]啁啾脉冲放大技术——从超快激光技术到超强物理世界[J]. 魏志义,王兆华,滕浩,韩海年,常国庆. 物理. 2018(12)
[5]Low-order harmonic generation of hydrogen molecular ion in laser field studied by the two-state model[J]. 杜玲玲,王国利,李鹏程,周效信. Chinese Physics B. 2018(11)
[6]原子发射高次谐波的优化控制和动力学分析[J]. 王国利,李鹏程,李小勇,赵松峰,周效信. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2017(03)
[7]改进的Morlet小波及其变换[J]. 姬战怀,严胜刚. 计算机工程与应用. 2016(14)
[8]极端光设施:使命与挑战[J]. Gérard Mourou. 光学与光电技术. 2012(03)
[9]强激光场中原子的束缚态和连续态对高次谐波的影响[J]. 周效信,李白文. 物理学报. 2001(10)
博士论文
[1]强激光场下光电子超快动力学的理论研究[D]. 刘金磊.国防科技大学 2018
[2]Morlet小波变换理论与应用研究及软件实现[D]. 罗光坤.南京航空航天大学 2007
硕士论文
[1]强场下氢分子高次谐波发射及孤立阿秒脉冲的产生[D]. 田艳荣.吉林大学 2019
[2]原子在强激光场中产生高次谐波的时频特性研究[D]. 焦元祥.西北师范大学 2016
[3]基于DCT的实值离散Gabor变换及其快速算法[D]. 魏道昀.安徽大学 2007
本文编号：3535398
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