【强场物理中的基本现象概述2900字】

强场物理中的基本现象概述激光技术发明之前，介质中发生的光学效应往往是在较低光强下实现的，这也导致了介质本身的光学属性（极化率、折射率等）与光的强度无关，且介质在光场中被极化形成的极化强度大小只与光场中的电场强度的一次方成正比，在这种状况下研究的光学现象被归类为线性光学效应的范畴。超快强激光的发明直至后来利用该光源与物质作用而观测到很多新的物理现象，这些现象不能被传统的线性光学理论知识解释。科学家们发现强激光中电场强度能够与构成介质的原子内部库仑势的大小相比拟时，介质的一些物理量不仅仅只与激光电场强度呈现简单的线性正比关系，还与的更高阶项有关。因此，介质与激光电场强度的高阶项产生很强关联性的现象被纳入非线性光学效应的研究范畴。非线性光学效应在强场物理中具有重大的研究意义，譬如研究多个电子在激光电场中被电离后的动力学行为，高次谐波辐射等。接下来，我们对非线性光学导致的两个有趣的物理现象（非次序双电离、高次谐波辐射）进行详细地阐述。1.1非次序双电离单电子近似模型表明，对于多电子体系的原子分子，若只考虑两个电子在光场中的电离，可以产生两种电离机制，分别为次序双电离和非次序双电离[10]。次序双电离指的是体系中第一个价电子在光的作用下先被电离后，若光的强度继续增加，第二个价电子将会被电离出去，而这两个电子本身没有任何关联性，且按照先后顺序依次被电离。相比于次序双电离，非次序双电离机制复杂得多，而且其中包含的物理现象更为有趣。非次序双电离中的两个电子之间存在很强的关联性，当第一个电子被电离后，由于激光场的反向导致该电子会返回至母体离子附近与第二个电子产生碰撞，使第二个电子被电离。通常这种碰撞产生两种电离机制：（1）第一个电子直接碰撞导致的第二个电子电离；（2）当第一个电子与第二个电子碰撞后，会使第二个电子达到高的激发态，其后在光场的作用下而被电离[17,18]。1994年，Walker等人[19]通过实验和理论对比He原子被电离的离子产率与激光强度的关系，发现实验上测得的单电离的离子产率与理论计算方法（ADK理论计算方法）获得的结果吻合得非常好，而双电离的离子产率偏差较大，如图1.4所示。在改变激光强度的过程中，实验测得的He原子双电离的离子产率会逐渐增加，并在某个光强下出现一个明显的“knee”结构，继续增加光强，双电离离子产率将进一步增多；而采用的ADK理论计算中发现，相对较低光强下并没有双电离的离子产生，该理论算得的离子产率只在相对更高的光强下能与实验结果符合。这一结果表明了实验中产生的双电离现象并不能被简单地被认为是次序双电离现象，且两个电离的电子间存在相互关联的双电离通道，而该通道被描述为非次序双电离。离子产率的光强依赖关系图中存在的“knee”结构是非次序双电离机制的特有结构，该结构是两个电子之间形成关联性的最为明显特征之一。2005年，Walker课题组[20]在测量Ne原子的更高价态的离子产率时，发现Ne3+、Ne4+等均出现“knee”结构，这也意味着这些高价态电离过程中也存在非次序双电离现象。图1.4He原子单电离与双电离的离子产率（分别为He+、He2+）在激光强度增大时的变化关系（实线为计算得到的结果）[19]图1.5（a）、（b）Ar原子中的关联电子动量分布（非次序双电离）对非次序双电离机制的研究一直是强场物理中的前沿热点问题，关键点在于在这个电离机制中起主导地位的两个电子之间关联过程是人们非常感兴趣的。针对双电子关联体系的研究，能够为我们更深刻地认识和理解复杂超快光场中的电子动力学过程。为了更直观地观测非次序双电离过程中的两个电子发生的动力学行为和能量变化等，科学家在实验上通常采用冷靶反冲离子动量关联谱仪[21]对两个电子的发射角度、动量分布等进行研究。2007年，Staudte等人[22]通过测量Ar原子的动量谱发现了一个有趣的现象，在动量谱中存在一个“finger”结构，如图1.5（a）和（b）所示，他们随后证明了由于电子间出现了重碰撞效应，使该现象与电子能量共享有关。随后，Ye等人[23]在理论上采用经典蒙特卡罗方法研究双电离现象，发现在不同的时间延迟下，双电子的动量分布同样出现了“finger”结构，该方法在在保留量子效应的同时，还考虑了经典轨迹，验证了双电离的电子间具有正关联和反关联的作用。近些年来，许多课题组通过观测电子动量谱发现由电子回核过程时产生的干涉现象，这些现象为深入了解超精细结构以及动力学信息具有十分重要的意义。1.2激光诱导介质产生高次谐波高次谐波作为一种相干短波光源，具有极其重要的研究前景。通过飞秒激光与靶材料作用产生的高次谐波，其频率是基频激光脉冲的奇数倍。高次谐波一经发现，科学家致力于寻求产生谐波的物理解释。Corkum等人[11,24]提出的半经典三步模型(Three-stepModel)能很好地解释谐波辐射的重要机理。图1.6描述了三步模型给出的谐波辐射的基本过程示意图，首先，激光电场扭曲离子实的库仑势，当库仑势被压制并接近于电离势附近，电子会发生隧穿电离；电子被电离后，成为自由的连续态，由于振荡激光场的存在，电子会在激光场的电场力的作用下运动并有一定的几率返回母体离子；返回的电子从激光电场中获得的动能将以极紫外(ExtremeUltraviolet,XUV)光子的形式辐射出去，即高次谐波。图1.6三步模型物理图像[25]高次谐波光子的最终能量取决于体系的电离势以及电子在激光电场中获得的能量之和。电子被隧穿之后的运动过程可以被经典的牛顿运动方程来描述，假定电子在隧穿瞬间的初速度为0，线性偏振激光电场满足：（1.11）电子在激光场中的运动满足的动力学方程为：（1.12）其中，为电子运动的加速度，电子带电量为，质量为，电子在时刻电离，满足初始条件、后，电子的运动速度在任意时刻为：（1.13）电子具有的动能为：（1.14）电子在激光场中的有质动力能为：（1.15）将1.15代入1.14，得到：（1.16）（1.17）通过式1.17，可以得到电子在不同时刻的具体运动轨迹。此外，我们还可以推出电子被电离的时刻与返回的时刻满足的关系式。令时刻电子的位移为，上式可化为：（1.18）将，代入该式可知，当电离相位为时，电子返回母体离子具有最大的动能，对应的高次谐波的最大光子能量为：（1.19）图1.7所示的是电离的电子的返回时刻与动能的关系，可以清楚地看到，除了对应的最大动能之外，每个动能均有两个不同的电离—复合时刻（如）。激光电离相位在之前，电子在激光场中的运动时间较长且较晚返回原子核，该轨迹称之为长轨迹；而在之后电离的电子在连续态下运动的时间较短，称为短轨迹。不同长、短轨迹下产生的高次谐波光谱存在非常明显的差异，包括发散角以及光谱的强弱等特点，研究不同轨迹的谐波特性，对于理解原子分子在激光场中的超快动力学过程具有非常重要的意义。图1.7电离的电子返回时刻与动能的关系[16]高次谐波光谱通常只体现出奇次谐波的信号，这是由于在每半个光周期内，光脉冲产生了干涉现象，在前半个周期内，光脉冲可以表示为：，后半个周期光脉冲可表示为：，两个脉冲叠加后，其干涉幅满足。当时，，可以得到:（1.20）即对于偶次谐波而言，谐波频谱发生干涉相消，谐波信号不能被观测到。图1.8高次谐波光谱图图1.9高次谐波频谱示意图[26]此外，高次谐波光谱可以被分为三个区间，图1.8和图1.9分别为典