氢原子在少周期强激光场中阈上电离的干涉效应 下载: 946次
1 引言
原子阈上电离(ATI)是强激光场与物质相互作用的一个基本过程[1-3],在过去的二三十年,实验和理论上都有大量的研究。在理论上,数值求解含时薛定谔方程(TDSE)是最为精确的方法,但是由于该方法需要耗费大量的计算,目前只能够精确求解少电子原子系统,对于多电子系统需要采取一些近似,比如单电子近似。因此产生了许多相对简单的近似模型,其中强场近似(SFA)模型就是一个典型代表。SFA方法仅考虑电子从基态到连续态的跃迁,忽略了中间的束缚态,同时在电子电离之后忽略了长程库仑势的作用,采用SFA方法在一定程度上能够简单有效地对阈上电离现象进行描述和分析。
电子波包干涉在阈上电离理论中有着广泛的应用[4-6]。Arbó等[7-9]利用基于SFA的鞍点近似方法对电子波包干涉进行了深入研究,末态动量相同的电子波包会发生干涉,其中电子电离间隔在一个周期内的干涉(周期内干涉)和电离间隔在一个周期之外的干涉(周期间干涉)有着明显的不同,这两种干涉条纹相互作用的结果形成光电子二维动量谱的典型特征。
近年来越来越多的实验现象表明,长程库仑势在阈上电离中具有非常重要的作用[10-12],例如阈上电离能谱中的低能结构以及二维动量谱中的扇形结构条纹都与长程库仑势有关。为了能够更进一步说明长程库仑势对电子波包干涉的影响,本文在SFA基础上结合时间窗函数,得到了氢原子单电离的周期内干涉和周期间干涉图像,与Arbó等利用鞍点近似方法得到的结果一致。对SFA进行了库仑势修正,得到了Coulomb-Volkov 近似(CVA)模型,利用CVA结合时间窗函数方法模拟出了电子波包干涉图像,对比分析SFA结果,分析了库仑势效应对电子波包干涉的影响。采用数值求解TDSE方法与SFA及CVA方法进行比较,进一步说明了库仑势效应在强场光电离中的重要性,并且发现长程库仑势对再散射电子影响也很大。
2 基本方法
在单电子近似下,强场中电子的波函数
式中:对于氢原子
考虑线性极化(沿
式中:
式中:
末态动量为
式中:
2.1 SFA方法
对于SFA方法,电子的电离振幅为[14]
式中:
式中:
式中:
对于氢原子,基态为
式中:
对空间部分积分之后,电离振幅为
式中:
与电子再散射有关的电离振幅为[15]
式中:|
式中:
2.2 CVA方法
CVA未考虑电子的再散射情况,它在SFA的基础上,考虑了在激光场作用下电离电子受到母核的库仑势,因此电子从基态到连续态的跃迁振幅为
式中:|
式中:
式中:1
2.3 TDSE方法
随时间演化的波函数
式中:
电离振幅通过投影方法得到,表达式为
式中:
3 结果与讨论
本文采用SFA(标准的SFA,不包含再散射情况)及CVA方法研究电子波包干涉及库仑势效应,并引入时间窗函数[18]。时间窗函数可定义为
式中:
式中:
图 1. 当I=3.0×1014 W·cm-2,λ=800 nm,CEP=0, Γ=5 fs时激光场的电场及矢势
Fig. 1. Electric field and vector potential of laser field when I=3.0×1014 W·cm-2,λ=800 nm, CEP=0, and Γ=5 fs
SFA方法结合时间窗函数,其电离振幅可以表示成
式中:
图 2. SFA方法得到的氢原子二维动量谱。 (a) A窗和B窗;(b) A窗和C窗;(c) B窗和C窗;(d) A窗、B窗和C窗
Fig. 2. 2D momentum spectra of H atom with SFA method. (a) A window and C window; (b) A window and B window; (c) B window and C window; (d) A window, B window, and C window
为了更清楚地说明库仑势的作用,CVA结合时间窗函数得到的二维动量谱如
图 3. CVA方法得到的氢原子二维动量谱。 (a) A窗和B窗;(b) A窗和C窗;(c) B窗和C窗;(d) A窗、B窗和C窗
Fig. 3. 2D momentum spectra of H atom with CVA method. (a) A window and C window; (b) A window and B window; (c) B window and C window; (d) A window, B window, and C window
图 4. CVA方法得到的光电子能量谱。(a)周期内干涉;(b)周期间干涉;(c)周期内干涉和周期间干涉共同作用
Fig. 4. Photoelectron energy spectra with CVA method. (a) Intracycle interference; (b) intercycle interference; (c) combined action of intercycle and intracycle interferences
图 5. H原子二维光电子动量谱。(a) SFA;(b) CVA;(c) TDSE
Fig. 5. 2D photoelectron momentum spectra of H atom. (a) SFA; (b) CVA; (c) TDSE
图 6. H原子的光电子能量谱。 (a) SFA;(b) CVA;(c) TDSE
Fig. 6. Photoelectron energy spectra of H atom. (a) SFA; (b) CVA; (c) TDSE
图 7. 当I=3.0×1014 W·cm-2,λ=800 nm,CEP=0时基于TDSE的H原子二维光电子动量谱。(a) 2T; (b) 4T;(c) 8T
Fig. 7. 2D photoelectron momentum spectra of H atom based on TDSE when I=3.0×1014 W·cm-2, λ=800 nm, and CEP=0. (a) 2T; (b) 4T; (c) 8T
为了说明周期内干涉和周期间干涉随激光脉宽增加产生的变化,
为了说明在
图 8. H原子二维光电子动量谱。(a) SFA;(b) CVA;(c) SFA2
Fig. 8. 2D photoelectron momentum spectra of H atom. (a) SFA; (b) CVA; (c) SFA2
4 结论
对比分析了SFA结合时间窗函数以及CVA结合窗函数模拟计算得到的氢原子电子波包周期内干涉及周期间干涉图像,发现长程库仑势作用下,周期内干涉条纹和周期间干涉条纹整体向阈值方向移动,在阈值附近受库仑势影响最为明显。此外,利用TDSE方法求解了不同脉宽下的二维光电子动量谱,发现动量谱中除了周期内干涉条纹和周期间干涉条纹之外,存在另外一种径向条纹结构,正是这种条纹的出现使得周期内干涉图像变得模糊。通过SFA2的计算重现出了该结构,证实了该径向条纹是由再散射电子波包形成的结论,但遗憾的是SFA+SFA2未能重现出这种径向条纹,这说明SFA模型中低估了再散射电子的贡献,SFA模型还有待进一步改进。
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