强场高次谐波及光电子动量分布的理论研究

论文摘要

强激光场与原子分子相互作用会产生很多物理现象,诸如隧穿电离、多光子电离和高次谐波发射等。高次谐波发射是一个高度非线性现象,Corkum提出的三步模型可以很好地解释其产生过程:电子在激光场的作用下电离到连续态;随后电子在激光场中加速并获得能量;当激光场反向时,电子有可能与母核复合并发射出高能光子,此即高次谐波发射,它是获得相干极紫外射线和阿秒脉冲的有效途径。电离是强激光与物质相互作用的基本物理过程之一,人们可以通过电离电子的动量分布来深入研究电子的动力学行为并探测物质的结构。本文系统地研究了 CS2分子的高次谐波发射、阿秒脉冲的产生以及氢原子和H2+分子的光电子动量分布,具体内容概括如下:（1）应用分子Lewenstein方法研究了椭圆偏振及双色圆偏振激光场中CS2分子的高次谐波发射。我们通过GAMESS-UK软件构造CS2分子的最高占据轨道并将其作为初始波函数。结果表明,双色圆偏振激光场中CS2分子的高次谐波发射强度比其在椭圆偏振激光场下的发射强度提高了大约三个数量级,同时谐波的截止位置也被拓展。电子运动的经典轨迹、电子的电离产额及时频分析图像可以很好地解释高次谐波发射的深层物理机制。最后,当在双色圆偏振激光场上叠加一个静电参数为α=0.35的静电场后,可以实现单量子轨道控制并形成了一个超宽连续谱,其截止位置拓展到了 190阶次。通过叠加130阶次到180阶次的谐波得到了脉宽为110 as的孤立阿秒脉冲。（2）采用强场近似方法理论模拟了氢原子在组合圆偏振激光场作用下的多光子电离,其光电子动量分布中出现了涡旋结构。结果表明当波长为30 nm和70 nm时,光电子动量分布的涡旋结构中存在两个旋臂;而当波长为140nm时,涡旋结构中出现了四个旋臂。阿秒微扰电离理论可以很好地解释光电子动量分布的涡旋结构中旋臂个数随激光波长的变化。此外,我们通过数值求解含时薛定谔方程的方法理论研究了氢原子的光电子动量分布,其分布与通过强场近似方法得到结果吻合。我们还研究了组合圆偏振激光场的时间延迟对氢原子光电子动量分布的影响。研究发现,增加时间延迟可以使光电子动量分布发生旋转,当时间延迟为Td=1 O.C.时,光电子动量分布刚好旋转了 180°。接着我们研究了激光脉冲的旋性对于光电子动量分布的影响,光电子动量分布中涡旋结构的螺旋方向与组合场中具有时间延迟的那束激光的旋性相一致。而当两束激光场同为左旋或右旋圆偏振时,涡旋结构消失,光电子动量分布呈现出类似牛顿环的多圆环分布。我们使用阿秒微扰电离理论很好地解释了上述现象。（3）通过求解冻核近似下的H2+分子的二维含时薛定愕方程,我们理论研究了椭圆偏振激光脉冲作用下H2+分子的光电子动量分布及角分布。首先研究了激光椭偏率对动量分布和角分布的影响,光电子动量主要分布在垂直分子轴的方向上并与之有一个小的夹角;随着激光椭偏率的增加,动量分布也逐渐增强。通过阿秒微扰电离理论对动量分布增强现象进行解释。接着研究了光电子动量分布及角分布随分子核间距的改变,随着核间距的增加,沿分子轴方向的动量分布增强;分子的初始动量分布以及动量分布随时间的演化可以很好地解释这种现象。此外,我们研究了激光波长对光电子谱和角分布的影响,当激光脉冲波长从35 nm减小到5 nm时,在光电子动量分布及角分布可同时观察到激光诱导电子衍射现象。（4）研究了光电子动量分布对于分子取向的依赖性。当激光场椭偏率为∈=0.5和∈=1.0时,无论分子取向角如何变化,光电子动量总是垂直于分子轴方向分布;当椭偏率为∈=0时,只要激光场与分子轴之间夹角不为零,光电子动量分布仍然遵从上述规律。阿秒微扰电离理论可以很好地解释光电子动量的垂直分布特性。然而,当线偏振激光场与分子轴夹角为零时,H2+分子的光电子动量分布中出现了六瓣结构的特殊分布。我们通过电子波包和光电子动量分布随时间的演化图像来解释这种现象。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 激光的发展历程
•   1.2 强激光场中的电离
•     1.2.1 多光子电离
•     1.2.2 隧穿电离
•     1.2.3 越垒电离
•   1.3 高次谐波发射
•     1.3.1 高次谐波特征及物理机制
•     1.3.2 高次谐波的研究背景与应用
•   1.4 光电子动量分布的研究现状
•   1.5 本章小结及本论文的主要内容
• 第二章 理论方法
•   2.1 激光脉冲的数学表述与原子分子模型势
•   2.2 强场近似方法
•     2.2.1 原子直接电离的跃迁振幅
•     2.2.2 原子Lewenstein理论
•     2.2.3 分子Lewenstein理论
• 2分子轨道波函数'>    2.2.4 CS₂分子轨道波函数
•   2.3 偶极近似下的含时薛定谔方程
•   2.4 虚时演化方法求解初始波函数
•   2.5 分裂算符方法求解含时薛定谔方程
• 2分子的高次谐波发射及孤立阿秒的产生'>第三章 双色圆偏振激光场中CS₂分子的高次谐波发射及孤立阿秒的产生
•   3.1 引言
•   3.2 理论方法
•   3.3 三步模型
• 2分子的高次谐波发射'>  3.4 椭圆偏振和双色圆偏振激光场中CS₂分子的高次谐波发射
• 2分子的高次谐波发射及孤立阿秒脉冲产生'>  3.5 双色圆偏振激光和静电场的组合场中CS₂分子的高次谐波发射及孤立阿秒脉冲产生
•   3.6 小结
• 第四章 组合圆偏振激光场中氢原子的光电子动量分布
•   4.1 引言
•   4.2 理论方法
•   4.3 激光波长对氢原子光电子动量分布的影响
•   4.4 时间延迟和旋性对氢原子光电子动量分布的影响
•   4.5 小结
• 2⁺分子的光电子动量分布'>第五章 椭圆偏振激光场中H₂⁺分子的光电子动量分布
•   5.1 引言
•   5.2 理论方法与模型
•   5.3 阿秒微扰电离理论
• 2⁺分子光电子动量分布对激光椭偏率的依赖'>  5.4 H₂⁺分子光电子动量分布对激光椭偏率的依赖
• 2⁺分子光电子动量分布对分子核间距的敏感性'>  5.5 H₂⁺分子光电子动量分布对分子核间距的敏感性
• 2⁺分子光电子动量分布随激光波长的变化'>  5.6 H₂⁺分子光电子动量分布随激光波长的变化
• 2⁺分子光电子动量分布对分子取向的依赖'>  5.7 H₂⁺分子光电子动量分布对分子取向的依赖
•   5.8 小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张宏丹

导师: 刘学深

关键词: 高次谐波,光电子动量分布,阿秒微扰电离理论

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,物理学,无线电电子学

单位: 吉林大学

分类号: O562;TN24

总页数: 116

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