【摘要】：自從鎖模技術(shù)和啁啾脈沖放大技術(shù)發(fā)明以來,超短超強激光技術(shù)已逐漸成熟。超短超強激光廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、醫(yī)學(xué)以及物理學(xué)。在物理學(xué)領(lǐng)域,現(xiàn)代的超短超強激光允許我們在阿秒時間尺度上研究微觀世界中的超快過程,同時把對光與物質(zhì)相互作用的研究推到前所未有的強度級別。中等強度激光對應(yīng)的電場強度和原子分子中最外層電子的庫倫電場量級相同,因此原子分子在激光場的作用下發(fā)生電離,產(chǎn)生自由電子和離子。電離過程是原子分子物理中眾多研究方向的核心,這些研究方向包括高次諧波的產(chǎn)生、非次序雙電離、電子抖落電離和抖落激發(fā)等。我們可以通過實時控制電子的運動來操控包括上述幾個過程在內(nèi)的廣泛的超快動力學(xué)過程。傳統(tǒng)意義上研究光與物質(zhì)相互作用主要是研究原子、分子、等離子體在外場中的響應(yīng)。然而隨著高速發(fā)展的激光技術(shù),如今激光的峰值強度已經(jīng)超過了10~222 W/cm~2,同時隨著世界上各大超強激光裝置例如ELI,XCELS,HiPER等的建設(shè),10~266 W/cm~2量級的激光強度也已不再遙不可及。超強的激光脈沖將打開研究QED過程的大門,當(dāng)外場強度達到施溫格閾值(～10~299 W/cm~2)時,真空將被擊穿,產(chǎn)生電子和正電子。本論文主要研究了超短超強激光作用下的兩個不同方向的物理過程,其一是中等強度(～10~155 W/cm~2)的飛秒或亞飛秒激光與原子分子的相互作用,其二是超強激光導(dǎo)致的真空電離。除緒論以外本文論述的主要內(nèi)容為:第一部分我們介紹了外場與原子分子和真空相互作用的各種數(shù)值和解析的方法。為了處理原子分子在激光場中的動力學(xué)行為,我們引入了含時薛定諤方程及其對應(yīng)的含時微擾解、強場近似解、以及基于第一性原理的數(shù)值解法。為了處理真空的電離和正負電子對的產(chǎn)生,我們介紹了計算量子場論,以及含時狄拉克方程的微擾近似解和準(zhǔn)確的數(shù)值解。第二部分我們研究了原子在強場中的電離,包括氦離子的單電離和氦原子的雙電離兩方面的工作。第一個工作研究了雙色XUV激光場驅(qū)動的氦離子中兩個單電離通道的干涉,我們觀察到不對稱的光電子動量譜,同時發(fā)現(xiàn)干涉極小值的位置強烈地依賴于激光場的載波相位、光子能量、強度、脈寬以及旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)其中一束激光場的光子能量等于氦離子基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間的能級差,通過增加該激光場的強度或脈沖寬度,基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間將形成拉比振蕩,我們研究了拉比振蕩對單電離通道干涉的影響。第二個工作研究了EUV激光和一束超短IR激光的組合場作用下氦原子中的次序雙電離和非次序雙電離。設(shè)置組合場中兩束激光的延遲使EUV激光位于IR激光場的峰值以后,次序雙電離和非次序雙電離的電子可能具有相同的末態(tài)動量,此時電子聯(lián)合動量譜將呈現(xiàn)新奇的干涉結(jié)構(gòu)。第三部分我們以氫分子為作用對象研究了分子在強場中的電離。第一個工作關(guān)注固定原子核時氫分子單電離過程中的電子-電子關(guān)聯(lián),分別討論了XUV激光場和IR激光場作用于氫分子時束縛態(tài)電子的響應(yīng)。數(shù)值結(jié)果顯示當(dāng)氫分子的第一個電子發(fā)生隧穿電離時,電離過程中兩個電子的關(guān)聯(lián)非常強烈,此時束縛態(tài)電子有足夠的時間來適應(yīng)新的基態(tài)H_2~+的勢。尤其是在激光場偏振方向和分子軸方向相互垂直時,相互作用后氫分子離子幾乎都處在H_2~+的基態(tài)。然而,在單光子單電離事件中,上述的這種關(guān)聯(lián)可以忽略不計,電離以后氫分子離子有很大的概率處于第一激發(fā)態(tài)。第二個工作研究了第一個電子電離以后氫分子離子的原子核運動對高次諧波相位的影響,原子核質(zhì)量的不同使氘分子和氫分子的高次諧波存在穩(wěn)定的相對相位差,通過諧波實部和虛部的空間密度分布,可以分析相位差產(chǎn)生的原因。第四部分討論了強激光中真空的電離以及正負電子對的產(chǎn)生。數(shù)值求解含時狄拉克方程可以得到激光場作用于真空時正負電子對的產(chǎn)生率。正負電子對產(chǎn)生機制可以根據(jù)參數(shù)η(=ωc/E)的值進行區(qū)分,這里E和ω分別是外場的幅度和頻率,c是光速。η?1的區(qū)域被認為是準(zhǔn)靜態(tài)區(qū)域,產(chǎn)生正負電子對的機制主要是隧穿。同時,當(dāng)η?1時,外場的作用可以使用微擾理論描述,產(chǎn)生正負電子對的機制是多光子吸收。數(shù)值計算得到的產(chǎn)率可以認為是準(zhǔn)確的產(chǎn)率,允許我們在廣泛的參數(shù)范圍內(nèi)與基于各種近似理論得到的解析公式的值進行比較。如果E/c~3和ω/c~2這兩個參數(shù)都小于1或者參數(shù)η遠小于1,基于WKB近似的解析公式預(yù)測的產(chǎn)率和真實的產(chǎn)率較符合。在多光子吸收區(qū)域,微擾解和準(zhǔn)確的產(chǎn)率值符合得很好,然而基于WKB理論的解析公式將失效。在最有趣的中間區(qū)域,即η～1時,只有數(shù)值求解狄拉克方程能得到可信的正負電子對產(chǎn)率。此外,我們通過觀測隨時間演化的總粒子數(shù)目以及電子和正電子的空間密度分布來分析真空中產(chǎn)生正負電子對的動力學(xué)特征。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O56;TN24
【圖文】：

相互作用、等離子體物理、核物理等。這些不同方向的探究得以實現(xiàn)主要是因為激光技術(shù)在兩個分支方向的重大發(fā)展，一個是激光脈寬的縮短，另一個是激光峰值強度的提升[16]，如圖1 1所示。幾 TW 的飛秒激光已經(jīng)實現(xiàn)，同時好幾個實驗室已經(jīng)成功產(chǎn)生了阿圖 1 1 激光脈沖寬度和強度的逆線性關(guān)系，縱軸和橫軸各跨度 18 個數(shù)量級。不同的強度和脈寬跨度不同的物理領(lǐng)域，例如原子分子物理、相對論等離子體、超相對論和真空非線性等。圖中藍色的點代表實驗結(jié)果，紅色的點代表數(shù)值模擬或者理論結(jié)果。圖片來自文獻 [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.秒脈沖，阿秒尺度下我們可以探測電子的運動以及分子的化學(xué)反應(yīng) [11]。這里值得提及— 2 —

輔以光子吸收，這時外場強度即使沒有達到 Schwinger 閾值，仍然會有正負電子對的產(chǎn)生 [50]。盡管現(xiàn)在的光子能量遠低于真空中正負能隙的能量 ，激光的光子能量如圖1 2所示。自由電子激光或 X 射線激光源的發(fā)展 [51]（FLASH，LCLS，XFEL，SACLA等 [52 55]）使得研究真空的離化這個過程至關(guān)重要，因為我們相信未來能夠直接觀測到光與物質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化。圖 1 2 FLASH, LCLS, 和歐洲 XFEL 產(chǎn)生的激光光子能量的比較，圖片來自文獻 [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 —

冪指數(shù)關(guān)系在激光強度達到一定閾值時將不再適用，超過這一閾值 將不再有電離率的增加，因為對某個給定的激光脈寬，當(dāng)激光強度還未達到 ，靶原子就已經(jīng)完全電離。前面已經(jīng)提過隨著激光強度不斷提高，多光子電離呈現(xiàn)出非微擾的屬性，如下圖1 3所示的閾上電離 (above-threshold ionization, ATI) 光電子能譜。ATI 電離過程中，原子吸收的光子數(shù)目超過電離能所需要的光子數(shù)目 [64, 65]。我們先避開微擾論的弊端不談，對應(yīng) ATI 的微擾論公式可以從公式 (1 1) 修改為 [66](1 2)這里 代表超過電離能以外額外吸收的光子數(shù)目，公式 (1 2) 很快在實驗上被證實 [61]。此后經(jīng)過一年的時間，Kruit 等人的實驗 [65] 觀測到 ATI 譜中的第一個峰消失了同時其余的峰也不符合公式 (1 2) 的規(guī)律，其他實驗也陸續(xù)報道了類似的非微擾現(xiàn)象 [67 69]。圖1 3給出了隨著激光強度的增加，ATI 譜的特點從微擾到非微擾的轉(zhuǎn)變過程。這是因為原子的能級由于與強場的耦合會產(chǎn)生動態(tài)的平移，即 AC-Stark 效應(yīng)。能級移動的位置等于自由電子在振蕩場中的有質(zhì)動力能

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本文編號：2768335