飞秒强激光场中原子的里德堡激发及电离动力学研究

论文摘要

激光技术的发展极大地推动了现代物理学的进步,特别是飞秒强激光脉冲的出现使得人们能够在极端条件下研究物质的微观结构和原子及其内部电子的动力学性质。近年来,人们在实验上观测到了一系列新奇的非线性物理现象,如阈上/高阶阈上电离、非顺序双电离、高次谐波产生等,其中强场里德堡态激发作为一种新的强场现象,不仅被认为是隧穿-再散射过程的重要补充,而且在光控化学反应、中性粒子加速和量子信息等领域同样有重要的应用前景。本论文利用量子理论方法系统地研究了飞秒强激光场驱动下原子的激发和电离动力学性质。采用不同的光场参数我们研究了不同种类原子体系中的电子动力学行为,对强场中性里德堡原子激发和激发态对电离行为的影响进行了深入的讨论。在此基础上,我们还进一步发展了低频激光场中研究原子激发态行为的Kramers-Henneberger量子方法,很好地解释了相关物理现象。论文主要研究工作如下:（1）研究了稀有气体原子的强场里德堡激发行为和里德堡原子的电离调控。通过理论计算,给出了中性激发态原子以及电子产量随光场强度的改变规律,观察到了两种产量中的反向振荡结构。结合光场作用下激发态能级和电离阈值边界的移动以及偶极跃迁选择定则,合理的解释了这种现象。利用两束具有时间延迟的双色激光脉冲,通过调节时间延迟、激光频率等光场参数,进而改变光场对里德堡电子的作用时间以及作用位置,提出了一种利用双色激光脉冲调制原子激发态电离的方案。（2）研究了角动量态中性里德堡原子在量子信息和量子计算中的应用。利用两束时间上延迟的双色单极性激光脉冲,通过电子波包制备和演化,以及波包调控整形,实现原子特殊量子态的制备。基于光电子低能动量分布以及角分布特征对电离初始态的依赖性关系,提出了一种对能级简并角动量态有效分辨的方法。（3）研究了原子共振激发态对阈上电离过程的影响。利用不同波长的超短激光脉冲研究了不同原子体系在隧穿区和多光子区的阈上电离过程。结果表明:长波长光场驱动下的隧穿过程,电子动量谱的低能结构对原子的内部电子结构并不敏感,在电子发生隧穿的过程中以直接电离过程为主,因此阈上电离过程并不依赖于激发态能级的共振效应。而对于短波长激光脉冲下的多光子区域,电子动量分布的低能部分以及能量的角分布特征强烈依赖于目标原子的束缚态能级,此时多光子过程占据主导地位。多光子激发过程中间共振态的差异性导致了最后阈上电离动量分布和角分布特征的不同。（4）研究了 Kramers-Henneberger变换方法在解释原子强场里德堡激发行为中的应用。在数学处理上通过坐标变换,将静止的核坐标系转换为振荡的电子坐标系,得到了新坐标系中光场和原子核共同作用下的有效势。通过分析光场参数如波长等对有效原子势的影响,研究了不同有效势对原子激发态产生和布居过程的影响。我们还将这种高频激光场中发展起来的方法拓展到了低频场中,并给出了该理论在低频场中的适用范围。利用这种低频场KH方法给出了一种不依赖于传统多光子和隧穿机制的原子强场里德堡激发的新物理图像。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 超快强激光脉冲作用下原子的电离
•     1.2.1 多光子电离
•     1.2.2 隧穿电离
•     1.2.3 越垒电离
•   1.3 基于重散射过程的三步模型
•     1.3.1 高阶阈上电离
•     1.3.2 非顺序双电离
•     1.3.3 高次谐波产生
•   1.4 强场里德堡态激发
•     1.4.1 强场里德堡激发的物理机制
•     1.4.2 强场里德堡激发的研究进展
•       1.4.2.1 原子的强场里德堡激发
•       1.4.2.2 分子的强场里德堡激发
•   1.5 本论文的主要工作简述
• 第二章 理论方法
•   2.1 全经典系综模型
•   2.2 半经典模型
•     2.2.1 基于量子轨道分析的蒙特卡洛方法
•     2.2.2 以强场近似方法为基础的量子散射矩阵理论
•   2.3 数值求解含时薛定谔方程
•     2.3.1 偶极近似下的含时薛定谔方程
•     2.3.2 激光电场的形式与原子的模型势
•     2.3.3 初始波包的制备
•       2.3.3.1 哈密顿量的离散化表象
•       2.3.3.2 虚时演化法制备基态电子波包
•       2.3.3.3 傅里叶格点哈密顿方法制备基态电子波包
•     2.3.4 含时波包的演化
•       2.3.4.1 劈裂算符—傅里叶变换方法
•       2.3.4.2 二阶差分方法
•     2.3.5 吸收势
•   2.4 本章小结
• 第三章 中性里德堡原子的激发及其电离调控
•   3.1 研究背景
•   3.2 理论方法
•   3.3 结果与讨论
•     3.3.1 近红外激光场中原子的里德堡激发
•     3.3.2 隧穿区原子的激发态产量和电子产量的强度调制结构
•     3.3.3 双色激光场中里德堡原子的激发和电离动力学调控
•   3.4 小结
• 第四章 特殊角动量态里德堡原子的制备与探测
•   4.1 研究背景
•   4.2 理论方法
•   4.3 结果与讨论
•     4.3.1 特殊角动量态里德堡原子的制备
•     4.3.2 双色单极性OHCP制备角动量态过程分析
•     4.3.3 高度简并的大角动量态里德堡原子的分辨
•   4.4 小结
• 第五章 原子共振激发态对阈上电离的影响
•   5.1 研究背景
•   5.2 理论方法
•   5.3 结果与讨论
•     5.3.1 隧穿区不同原子结构的光电子动量谱
•     5.3.2 多光子区原子束缚态能级对低能光电子动量谱的影响
•     5.3.3 原子激发态能级在光场作用下的实时布居
•   5.4 小结
• 第六章 Kramers-Hennberger变换在求解强场问题中的应用
•   6.1 研究背景
•   6.2 理论方法
•   6.3 结果与讨论
•     6.3.1 KH框架下多光子区和隧穿区的里德堡激发
•     6.3.2 低频激光场中KH近似的适用性
•     6.3.3 低频场中激发态原子的稳定机制
•   6.4 小结
• 第七章 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 辛培培

导师: 刘红平

关键词: 含时薛定谔方程,强激光场,里德堡态激发,隧穿电离

来源: 中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)

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: 中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)

分类号: O562;TN24

总页数: 132

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