周效信西北师范大学物理与电子工程学院

2010.08.10 广西师范大学

强激光场中原子分子的性质及其应用

内 容 引言 强激光中原子分子性质及其机理 一些重要应用 我们的研究进展

一 、 引 言

通常的调 Q 技术和锁模技术输出的光强一般 1012~1013

W/cm2 。使用啁啾脉冲放大技术（ Chirped pulse amplifica

tion ， CPA ）所产生的激光聚焦光强超过了超过 1022 W/c

m2, 已经远远超过原子核对电子的库仑相互作用。

氢原子中电子在第一 Bohr 轨道上所感受到原子核Coulomb 场的电场强度约为 ，这个强度相当于激光光强为 。强激光产生的电场是目前人类可以产生的最强电场，并且已经超过了原子中电子所感受到的核 Coulomb 场。因此，强激光的出现是人类拥有了可以改变和控制物质中电子运动并进而改变物质性质和状态的能力。

cmV /105 9216 /105.3 cmW

激光强度（功率）的进展

脉冲宽度的进展

研究的领域随激光强度的变化

CPA 技术示意图

二、 强激光中原子分子性质及其机理 高次谐波 (High-order Harmonic Generation)HHG

阈上电离 (Above Threshold Ionization) ATI

阿秒脉冲 (Attosecond Pulse)AS

分子取向 (Molecular Alignment)

High-order Harmonic Generation (HHG)

Ne 原子在激光场中产生的 HHG

plateau

Cutoff energy

IP+3.17 UP

HHG 示意图

Three-Step Model

1. Tunneling ionization

2. Acceleration by laser field

3. Recombination/photon emission

电子的重散射和高次谐波2 Up3.2 UP10 Up

Up=A2/4

Above threshold Ionization (ATI)

Above threshold Ionization (ATI)

Attosecond Pulse

按照 Keldysh 系数，可以将激光场与原子的相互作用分为三个区域：

当 多光子过程区域 隧道电离区域 过垒电离区域其中

1

1

1~

pp UI 2/

1

1

1~

Light intensity

Photoionization of atoms

Single photon Multiphoton( 1012 W/cm2 )

Tunneling( 1015 W/cm2 )

1 a.u. 3 x1016 W/cm2

laser-atom interactions

Alignment of molecules

三、 一些重要应用 原子和分子在强激光场中的性质有很多应用价值而引起了国内外学者的极大兴趣，这里仅举出几个重要例子加以说明。

N2 wave function

Nature 432,867(2004)

用高次谐波重构分子的波函数

用阿秒脉冲测量原子内部电子的运动

Time

as psfs10-18 s 10-15 s 10-12 s

RotationVibrationCirculation

内壳层激发的俄歇过程 (Kr)

M. Drescher et al., Nature, 419, 803(2002)

P. B. Corkum and F. Krause, Nature Phys., 3, 381(2007)

电子的阿秒 “双缝”干涉实验

Lindner et al., Phys. Rev. Lett., 95, 040401(2005)

测量激光的相位

G. G. Paulus et al., Phys. Rev. Lett., 91, 253004(2007)

Goulielmafis et al., Science, 320, 1614(2008)

激光脉冲的成像

新的 80 阿秒闪光可以对 2.5 飞秒光脉冲进行成像

四、我们的研究进展1. 提出利用啁啾激光脉冲产生高次谐波获得超短 的阿秒脉冲 根据半经典的三步模型，我们提出利用啁啾激光脉冲，能够使原子产生的高次谐波截止位置得到大幅度的展宽，从而得到超短的阿秒脉冲，其脉冲宽度能够达到26as，已经接近时间的 1个原子单位。

啁啾激光 返回原子核附近的速度

李鹏程 , 周效信等， Phys. Rev. A, 80, 053835(2009)

李鹏程 , 周效信等， Phys. Rev. A, 80, 053835(2009)

高次谐波谱 阿秒脉冲宽度

2. 原子电离的动量谱 原子的动量谱比能量谱包含更多的信息，近年的研究表明，使用 SFA 和 TDSE 方法得到的能量谱比较接近，但是由两者得到的动量谱差别较大，经过研究表明，这两者的差别主要来源于 Coulomb

场的差别。

存在长程库仑势、短程势与 SFA 结果的比较

H- 离子的结果（低能）

周效信等， Phys. Rev. A, 77 ， 053410 （ 2008 ）

H- 离子的结果（高能）

周效信等， Phys. Rev. A, 77 ， 053410 （ 2008 ）

F- 离子的结果 -TDSE

周效信等， Phys. Rev. A, 77 ， 053410 （ 2008 ）

我们将原子的强场理论方法推广到分子体系，研究了最高占据分子轨道对高次谐波的影响，得出的结果与发表在 Nature 上的实验结果（ 2004 年）一致。

3.分子产生的高次谐波

Alignment dependencd of the HHG signals from N2,

30fs, 800nm, 3x1014W/cm2

Alignment dependence of the HHG signals from N2 calculated using the Lewenstein model.are good agreement with the results from article: Nature,432,867(2004)

High-Order Harmonic Generation (HHG) of N2 molecular

周效信等 , Phys. Rev. A 71, 061801(R) (2005)

Order of HHG for N2 as a function of angles between molecule axis and laser parlarization

Our Results

Results of PRA 74, 023403(2006)

周效信等 , Phys. Rev. A 71, 061801(R) (2005).

Results of PRA 74, 023403(2006)Order of HHG for O2 as a function of angles between molecule axis and laser parlarization Our Results

周效信等 , Phys. Rev. A 72, 033412 (2005);

High-Order Harmonic Generation (HHG) of O2 molecular

Harmonic generation in intense laser field

周效信等 , Phys. Rev. A. 61, (2000) 053411

4. 用激光控制分子的取向研究 利用分裂算符方法研究了在短脉冲强激光场作用下双原子分子 N2 和 O2 的转动波包，得出外界条件对分子取向程度的影响，给出了温度对分子取向程度的影响；通过优化激光参数，可以大大改善分子的取向程度，如两束激光的延迟时间、两束激光的强度比、以及两束激光的宽度等因素。

5. 原子里德堡态在外电场中性质的研究 在该项研究中，我们引入了 B 样条函数研究静电场中碱金属原子的里德堡态被微波场激发所产生多光子共振激发，得到的结果比传统的 Floque 方法大大的节约了时间；同时对碱金属原子里德堡态的能级反交叉的位置和宽度进行了计算，结果也与其他理论结果符合得很好。

6. 原子的光电离 用 R- 矩阵方法研究了 CII 离子发生的内壳层 1s-2p

激发的光电离截面，相应跃迁的振子强度，得出了和其他学者相一致的结果。

Threshold ionization of one-dimension atom in intense laser field

Electronic probability density of one dimension atom at t=16T

Threshold ionization spectra of one dimension atom

周效信等 , Phys. Rev. A 64, (2001) 043403.

当分子还未与激光作用时，分子和分子的取向处于无规则分布，这时，当激光作用到分子上以后随着时间的推移，会很快的增加，当达到一最大值后，又会很快的下降，此后呈现周期性变化。恢复（ revival ）周期分别是 8.36ps 和 11.52 ps

杨增强，周效信，物理化学学报， 22 ， 932 （ 2006 ）

分子的取向

14 21.5 10 /50I W cm

FWHM fs

激光强度

总之，随着激光技术和计算技术的进步，激光与原子分子相互作用的研究内容会更加丰富，如相对论效应，非偶极近似中的磁场效应，原子内部的关联效应在激光场中的变化，原子核性质在激光场中的变化，超快过程等。

参与本项研究的成员： 赵松峰，李鹏程，王国利，金成，杨增强， 李小勇等

感谢 国家自然科学基金 甘肃省自然科学基金 中科院原子核理论研究中心 教育部高等学校博士点专项基金 的资助！

谢谢大家 !