强激光中氩原子非序次双电离对场强的依赖关系

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原子和分子在超短超强激光场下呈现很多非微扰电离现象,包括多光子电离、阈上电离、隧穿电离、高次谐波的产生和非序次双电离等等。其中,原子的非序次双电离揭示了原子和分子物理学中基本的电子动力学,尤其是两个或多个电子电离涉及到电子关联现象,电子与电子的相互作用在强场中起到重要作用。非序次双电离理论机制引起了人们广泛的关注,并对其进行了大量的研究。根据再散射模型,一个电子在振荡电场的最大值附近电离,随后,当场的方向反向时,电子被拉回母核并与母核发生碰撞。当返回电子能量足够大时,可以使束缚电子电离出去,即直接碰撞双电离;返回电子也可以是束缚电子激发,被激发的电子随后在激光场作用下发生隧穿电离,即碰撞激发双电离。  本文用半经典模型研究氩原子在线性极化激光场中非序次双电离对场强的依赖关系。在半经典模型中,我们利用Ammosov-Delone-Krainov(ADK)隧穿理论计算第一个电子从束缚态电离出来的几率,将隧穿电子和束缚电子随后在库仑场和外加电场作用下的运动近似看成经典运动,用牛顿方程描述,最后根据两电子的能量判断是否发生双电离。  本文计算氩原子非序次双电离在不同光强的线性极化激光场中的纵向关联电子动量谱,结果表明随着光强的增加,两出射电子动量谱由反关联性转化到关联性,电子分布区域由二、四象限占主导变为一、三象限占主导;进一步由关联电子动量谱得到二价离子纵向动量分布,与其它理论结果和实验测量类似,我们所得的二价离子动量分布随着光强的增加也经历由单峰结构到双峰结构的过渡。此外,我们还利用半经典模型得到两出射电子能量随时间的变化关系,根据两电子碰撞时刻和电离时刻的时间间隔区分直接碰撞双电离和碰撞激发双电离,通过与实验测量结果比较,发现将时间间隔设为0.15T(T为激光周期)时较为合适。  本文重点研究氩原子在激光场中发生非次序双电离过程中的双激发态。近年来,Liu等人对氩原子在光强为7×1013W/cm2、波长为795nm的线性极化激光场中的非序次双电离进行了三体符合测量,得到side-by-side和back-to-back出射中快电子和慢电子的纵向动量分布,并利用准经典模型对测量结果进行拟合[Phys. Rev.Lett.112,013003(2014)]。Liu等人认为,在如此低的场强下,激光场诱导的返回电子与母离子的碰撞会形成大量的双激发态,进而导致双激发电子的次序双电离,并且这种双激发电子的次序双电离主导氩原子在该光强下的非次序双电离。然而,Liu等人并未具体论证双激发态的形成,也未定量描述双激发电子的次序双电离对整个非次序双电离的贡献,更未给出双激发电子的次序双电离对整个非次序双电离的贡献随场强的依赖关系。本文利用半经典模型对两出射电子的能量轨迹进行追踪,定义两电子在返回电子与母离子碰撞后保持能量均为负值的时间在3原子单位以上为双激发态。根据该定义,可以识别非序次双电离中来自双激发态的贡献。首先利用半经典模型拟合Liu等人实验测量的side-by-side和back-to-back出射中快电子和慢电子的纵向动量分布,并得到与实验测量和其它理论计算相吻合的结果。其次,提取光强在5×1013W/cm2至3×1014W/cm2范围内氩原子非次序双电离中来自双激发态的贡献。研究表明:(1)来自双激发态的关联电子动量谱及快电子和慢电子的动量分布在所有场强下具有几乎相同的特征;(2)由双激发态导致的非次序双电离在场强为7×1013W/cm2时占非次序双电离总产额的90%,该比例随场强的增加逐渐减弱,当场强为3×1014W/cm2时衰减为5%左右。
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