1 北京大学物理学院人工微结构与介观物理国家重点实验室，北京 100871
2 量子物质协同创新中心，北京 100871
3 极端光学协同创新中心，山西 太原 030006
超短激光脉冲的出现为人们研究原子分子内电子的超快动力学过程提供了重要的技术手段。强激光诱导原子分子的光电离过程是光诱导物理过程的基石，也是目前强场物理领域的前沿热点之一。本文重点综述了双波长圆偏振光场中分子电离动力学的研究进展。首先，介绍了研究强场分子电离动力学的半经典模型，给出了电离电子波包的相位和振幅分布。然后，介绍了利用双波长圆偏振光场测量H2分子和CO分子的电离动力学的研究，发现电离电子的振幅结构以及隧穿后电子受到的长程库仑势都会影响电子的动力学过程。此外，电子波包的相位结构也会包含在光电子的发射角中，这个初始相位编码了电子吸收光子而电离过程中的时域信息。最后，对新型阿秒钟在分子光电离过程中的应用进行了总结，并展望了未来复杂分子体系的应用前景。
原子分子物理学 强场光物理 隧道电离 多光子电离 分子半经典模型
昆明理工大学 信息工程与自动化学院, 昆明650000
研发大功率、高能量、高效率且能在室温下稳定运行的太赫兹辐射源是太赫兹技术领域迫切需要解决的实际问题。基于瞬态光电流模型, 采用数值仿真方法研究了三色激光脉冲诱导液体介质产生太赫兹波的物理过程, 分析了相位差、强度比、波长以及脉宽对太赫兹辐射的影响。仿真结果表明: 二次谐波和三次谐波相对于基波的相位差、强度比、波长、脉宽等都对太赫兹电场有明显的影响。同时, 只有电离率随着激光电场振荡变化的隧穿电离机制才能产生瞬态光电流, 从而得到太赫兹辐射。
太赫兹波 飞秒激光 隧穿电离 液体等离子体 terahertz wave femtosecond laser tunneling ionization liquid plasma
Author Affiliations
Abstract
1 East China Normal University, State Key Laboratory of Precision Spectroscopy, Shanghai, China
2 Ludwig-Maximilians-Universität Munich, Department of Physics, Garching, Germany
3 Max Planck Institute of Quantum Optics, Garching, Germany
4 Shanxi University, Collaborative Innovation Center of Extreme Optics, Taiyuan, China
5 CAS Center for Excellence in Ultra-Intense Laser Science, Shanghai, China
Multiphoton resonant excitation and frustrated tunneling ionization, manifesting the photonic and optical nature of the driving light via direct excitation and electron recapture, respectively, are complementary mechanisms to access Rydberg state excitation (RSE) of atoms and molecules in an intense laser field. However, clear identification and manipulation of their individual contributions in the light-induced RSE process remain experimentally challenging. Here, we bridge this gap by exploring the dissociative and nondissociative RSE of H2 molecules using bicircular two-color laser pulses. Depending on the relative field strength and polarization helicity of the two colors, the RSE probability can be boosted by more than one order of magnitude by exploiting the laser waveform-dependent field effect. The role of the photon effect is readily strengthened with increasing relative strength of the second-harmonic field of the two colors regardless of the polarization helicity. As compared to the nondissociative RSE forming H2 * , the field effect in producing the dissociative RSE channel of ( H + , H * ) is moderately suppressed, which is primarily accessed via a three-step sequential process separated by molecular bond stretching. Our work paves the way toward a comprehensive understanding of the interplay of the underlying field and photon effects in the strong-field RSE process, as well as facilitating the generation of Rydberg states optimized with tailored characteristics.
Advanced Photonics
2023, 5(1): 016002
Author Affiliations
Abstract
1 Huazhong University of Science and Technology, School of Physics and Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Wuhan, China
2 Wuhan Institute of Technology, Hubei Key Laboratory of Optical Information and Pattern Recognition, Wuhan, China
Tunneling ionization of atoms and molecules induced by intense laser pulses contains the contributions of numerous quantum orbits. Identifying the contributions of these orbits is crucial for exploring the application of tunneling and for understanding various tunneling-triggered strong-field phenomena. We perform a combined experimental and theoretical study to identify the relative contributions of the quantum orbits corresponding to the electrons tunneling ionized during the adjacent rising and falling quarter cycles of the electric field of the laser pulse. In our scheme, a perturbative second-harmonic field is added to the fundamental driving field. By analyzing the relative phase dependence of the signal in the photoelectron momentum distribution, the relative contributions of these two orbits are unambiguously determined. Our results show that their relative contributions sensitively depend on the longitudinal momentum and modulate with the transverse momentum of the photoelectron, which is attributed to the interference of the electron wave packets of the long orbit. The relative contributions of these orbits resolved here are important for the application of strong-field tunneling ionization as a photoelectron spectroscopy for attosecond time-resolved measurements.
tunneling ionization quantum orbits photoelectron holography attosecond electron dynamics Advanced Photonics
2021, 3(3): 035001
1 北京大学物理学院人工微结构与介观物理国家重点实验室, 北京 100871
2 量子物质协同创新中心, 北京 100871
3 极端光学协同创新中心, 山西 太原 030006
光与物质的相互作用一直是科学的主旋律之一。随着超强超短激光技术的快速发展,如今人们可以研究单个原子的内部世界,并调控光与电子的相互作用,从而实现了对原子内电子的超快动力学过程的探索。强激光诱导的原子隧道电离是众多强场物理现象的基石,具有重要的研究意义,也是研究前沿的热点之一。综述了强场原子隧道电离的最新研究进展,基于隧道电离在自然坐标系(即抛物坐标系)中的非绝热隧穿理论,得到电子隧穿后的坐标分布和动量分布。介绍了电子在隧穿过程中获得的初始相位(即势垒下相位)的理论描述和实验测量方法。基于势垒下相位揭示出电子隧穿的量子动力学信息。综述了强激光场原子隧道电离过程中光电子自旋极化的研究进展,利用正交双色光场可以在时间和空间两个维度上精确地调控光电子的自旋自由度。最后进行了总结并展望了未来的研究前沿。
原子和分子物理学 强场光物理 隧道电离 光电子势垒下相位 光电子自旋极化
北京大学物理学院人工微结构与介观物理国家重点实验室, 北京 100871
综述了强激光场作用下原子的光电离动力学最新进展,着重分析了非绝热隧道电离中的隧穿出口光电子动量分布,得到分子坐标系中隧道电子角分布,实现分子内层轨道成像;采用电场矢量同向旋转的双色(400 nm+800 nm)圆偏振激光实现双指针阿秒钟干涉技术,该技术可以测量光电子波包的相位和振幅;基于具有较大自旋-轨道耦合效应的原子(氙原子),通过圆偏振激光中的多光子电离过程,可产生具有高自旋极化度的光电子。最后对目前超快强场物理的研究前景和发展趋势进行简单的介绍。
非线性光学 超快激光 强场物理 非绝热隧道电离 阿秒钟 电子自旋极化
1 Terahertz Sensing and Imaging Team, Center for Advanced Photonics, RIKEN, Sendai 9800845, Japan
2 Key Laboratory for Laser Plasmas (Ministry of Education), Department of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
Frontiers of Optoelectronics
2015, 8(1): 1
中国科学院 西安光学精密机械研究所 瞬态光学与光子技术国家重点实验室，西安 710119
为了研究高次谐波极紫外阿秒脉冲产生过程中的谐波相位匹配问题，基于光场电离高次谐波产生过程3步分析模型得出了高次谐波产生过程的理论描述解析式，并以此分析了阿秒脉冲产生过程中的高次谐波本征原子相位。由研究可知，除最高阶谐波外，对同一阶高次谐波产生有贡献的电子均有两类——长轨迹电子和短轨迹电子，各高次谐波长轨迹电子产生的谐波谱相之间几乎不存在线性关系，而短轨迹电子产生的高次谐波谱相之间则存在着良好的线性关系。结果表明，抑制各谐波长轨迹电子有助于产生更小脉宽阿秒脉冲。此结果对极紫外阿秒脉冲产生实验中的高次谐波相位匹配有重要的参考价值。
非线性光学 高次谐波产生 隧穿电离 本征原子相位 nonlinear optics high-harmonic generation tunneling ionization intrinsic atomic phase
哈尔滨工业大学光电子技术研究所, 哈尔滨 150001
为了控制光场感应电离等离子体的温度以使得基于光场感应电离机制的X射线激光辐射获得更高的增益值,利用准静态隧道电离模型,定量计算了电子剩余能量与激光偏振参量、波长(频率)、激光强度以及电离介质电离能的变化关系。计算结果表明线偏振短波长激光以及高电离能介质产生的等离子体中电子剩余能比较低,因此适合用作复合机制X射线激光;对于低价离子在偏振度α介于0～1之间的某一处最高,因此,可以通过调整偏振度α,获得某一椭圆偏振光,会更有利于基于光场感应电离电子碰撞机制X射线激光增益的提高。
X射线激光 超短脉冲强激光场 光场感生电离 准静态隧道电离模型 电子剩余能
中国科学院上海光学精密机械研究所强光光学开放研究实验室,上海 201800
研究了飞秒强激光与Ar原子团簇相互作用时的电离机制及库仑爆炸过程,建立了一个简化的模型计算相互作用产生的离子能谱.计算结果与实验结果较为吻合,可以较好地解释离子能谱高能端的主要特征.
飞秒激光 团簇 隧道电离 库仑爆炸
