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1、强激光场中原子电离问题黄凯云本文主要讲述了原子在强激光场作用下得各种非微扰现象，如多光子电离，隧穿电离，越垒电离，非顺序双电离等等，使读者对整个强场研究领域的发展有个较为清晰的认识强激光，电离，原子1引言对于光场中物质电离现象的研究最早可以追溯到光电效应现象的发现。即在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。但是，此时的激光强度很小。从1960年世界上第一台激光器发明开始，激光强度就不断在提高。尤其是在过去20多年时间里，自从啁啾脉冲放大技术发明以来1，场强提高了八个数量级。目前超过1022W/cm2的强场已经实现，正在向更高的非线性量子电动力学区迈进。而能够将电子
2、从原子中直接电离出去的场强在 1016-1018W/cm2之间，如果用接近于这个场强的激光与原子作用，那么微扰理论将不再适用，一些非微扰现象将会出现。现在我们具体的介绍以下几个强激光场中原子电离问题。2强激光与原子作用的基本过程2.1多光子电离当我们用强激光场辐照到原子上时,电子感受到的激光电场可能达到甚至超过原子核对电子的库仑吸引,这就导致了把激光场看成微小扰动的传统物理图像不再适用,因此人们习惯于称强场中的物理现象为非微扰现象.另一方面,目前流行的高功率激光器的波长范围大多在800nm 左右,所对应的光子能量远远小于原子基态到连续谱的能级差.为了发生光电离及一些后续动力学行为,原子必须同时
3、吸收多个光子才能完成这些过程.这在高功率密度激光场中成为可能,甚至可以说占据了主导地位.这种物理现象称为物理现象称为多光子现象.1名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 4 页 -Figure 1:(a)-(c)电子的电离机制随场强的变化:(a)多光子电离,(b)隧穿电离,(c)越垒电离;(d)-(e)电子回到母核附近后可能发生的三个物理过程:(d)阈上电离,电子受到离子实的散射,吸收更多光子,(e)非顺序双电离,电子与内层电子发生碰撞,引发两个电子同时电离(f)高次谐波,电子被核俘获,发射高频光子.图片(a)-(c)来自文献2.2.2隧穿电离激光强度在I 1013W/c
4、m2区域的为多光子电离.然而,早在 1965 年,Keldysh?就意识到,随着激光场强度的提高,电子的电离机制可能发生根本性的变化.例如对于足够强的低频激光场,电子的电离行为可以用准静态模型很好地描述,其大致物理图像如图1(b)所示.考虑到激光场频率远远小于电子绕核运动的频率,在任意给定时刻,都可以把激光场看成瞬时静电场.由于激光场强度很高,库仑场被明显扭曲,在激光场极化方向上形成一个势垒.束缚电子可以借助隧穿方式越过势垒,最终发生电离,即所谓的隧穿电离.为了刻画从多光子电离到隧穿电离的转变,Keldysh 引入绝热参数=Ip/(2Up),=1为两者之间的分界线:?1时,主要发生多光子电离;
5、?1时,隧穿电离占据主导地位.显然,激光频率越低,准静态近似越容易得到满足;激光功率密度越高,Up越大,越小,隧穿电离越显著。隧穿区域是人们非常关心的一个区域,我们不妨作一些更深入的讨论.这一区域的特点是电子以隧穿的方式发生电离,电离率与瞬间电场密切相关.事实上,Landau 等人很早就在其专著上给出了基态氢原子(s-电子)在静电场中的电离率公式 3.这套方法被Perelomov,Popov 和 Terent ev 三人 4沿用,成功地给出了氢原子任意态的电离率公式,后又经Ammosov,Delone 和 Krainov三人 5进一步推广到任意复杂原子的任意态,最终形成处理顺序电离的基本理论框
6、架也就是大家所熟悉的ADK理论.发生隧穿电离后的电子开始在激光场中来回抖动,并且在激光脉冲结束后仍然保留一定的漂移动能.假设电离后电子不再与核相互作用,容易推导出漂移动能的表达式为Edrift=2Upsin2(t0)6,这也是探测器所观测到的电子能量.式中,t0为电子进入连续谱的时刻.它表明,在激光场=0cos(t)峰值处发生电离的电子获得的漂移能量最小,而在激光场零点2名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 4 页 -Figure 2:实验测量得到的氦离子信号随着激光功率密度的变化曲线.激光参数为 100fs,780nm.实线是单电子近似模型的计算结果.虚线是半经典隧穿
7、理论结果.图片来自文献7.处进入连续谱的电子得到最大的漂移动能2Up.另一方面,ADK公式则预言激光场峰值处电离率最大,而激光场零点处的电离率已经快速衰减为零.将两个公式联立可以计算出电子的能谱分布,初步估计为0-2Up之间近似指数衰减的一条曲线.2.3越垒电离随着激光场强度的进一步提高,图 1(b)中的势垒变得越来越窄,同时越来越低.最终基态因为进入连续谱而不再是束缚态,导致电子可以自由地逃离原子实的束缚,隧穿电离过渡到越垒电离,如图 1(c)所示.发生越垒电离的条件是激光场与库仑场叠加形成的势垒最高点-2Z0低于电子的电离势-Ip,即 0 I2p/(4Z),其中 Z 是原子或离子的核电荷数
8、.以氢原子为例,对于波长为 1024 nm 的激光,I=7.0 1013W/cm2是多光子电离与隧穿电离的分界线,而 I=1.4 1014W/cm2则是隧穿电离与越垒电离的分界线.2.4非顺序双电离电子回碰后还可能发生非弹性散射,”敲打”出内壳层的电子,引发所谓的非顺序双电离 见示意图1(e).激光驱动的原子双电离现象已经有20 多年的研究历史了,并且至今仍然是一个饶有兴趣的理论课题.多电子原子在强场的作用下有可能电离出去两个或更多的电子，在激光场很强时，这些电子可以认为从外到内一个接一个顺序地电离，每个电子的电离率随场强的变化关系与ADK公式符合3名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理
9、-第 3 页，共 4 页 -得很好。但是当场强比较弱时，在实验中发现了电离率比ADK公式的预言明显偏高.如图 2 所示，在二价离子产率随场强变化的曲线中存在一个“Knee”结构区域，在这个区域中二价与一价离子的产率比为常数，称之为非序列双电离(nonsequentialdouble ionization,NSDI)的饱和区域。超出预测如此高的双电离率表明在单活跃电子近似下描述双电离的序列电离机制此时不再适用,必须考虑两个电子的关联作用.3结论强场物理现象纷繁复杂，这里只是列举了几个典型物理过程。希望帮助读者对强场物理发展有个清晰的认识。References1 A.D.Stricklandand
10、 G.Mourou,Opt.Commun.56,212(1985).2 M.Protopapas,C.H.Keitel,and P.L.Knight,Rep.Prog.Phys.60,389(1997).3 L.D.Landau and E.M.Lifshitz,Quantum Mechanics:Non-RelativisticThe-ory.Oxford:Pergamon Press(1977).4 A.M.Perelomov,V.S.Popov,and M.V.Terent ev,Sov.Phys.JETP.23,924(1966).5 M.V.Ammosov,N.B.Delone,and V.P.Krainov,Sov.Phys.JETP.64,1191(1986).6 B.Feuerstein,R.Moshammer,and J.Ullrich,J.Phys.B 33,L823(2000).7 B.Walker,B.Sheehy,L.F.DiMauroet al.,Phys.Rev.Lett.73,1227(1994).4名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 4 页 -