强激光激发原子、分子产生双电离的过程中电子的关联效应研究

Electron correlation is general in the microscopic world．Double ionization of atoms and molecules in intense laser fields provides a simple but effective prototype of electron correlation, and thus becomes an important topic in intense laser physics. Although much important progress was made in the study of double ionization in intense laser fields, studies on this process are limited within the (semi)-classical treatments, and many phenomena need to be studied by different treatments in an alternative way. We will develop the nonperturbuative scattering theory on laser interacting with atoms and molecules, and study the double ionization process of atoms and molecules by a full quantum treatment. We will obtain firstly the analytical formula of the double ionization rate, and then make the calculation programs, and finally perform a systematic study on the double ionization of atoms and molecules. We will check the known results on double ionization, disclose unknown double ionization mechanism and new double ionization phenomena, and discuss how to control the electron correlations by the laser fields. Owing to the exactly mathematical derivations, this item will put an insight into the electron correlation effect in double ionization in intense laser fields, which deepens the study on double ionization. The results of this item will provide references to many scientific researches.

电子关联是微观世界的普遍现象，强激光场中原子、分子的双电离过程提供了一种简单的电子关联模型，成为强场物理研究的重要内容。人们在强场双电离的研究中已经取得多方面的重要进展，但对这一过程的研究仍然局限于经典、半经典的处理方法，许多问题还需要采用不同的方法、从不同的角度深入研究。本项目将发展强激光和原子、分子相互作用的非微扰量子散射理论，用全量子的方法深入研究原子、分子的双电离过程。本项目首先得到双电离率的解析表达式并发展相应的计算方法，进而对原子、分子的双电离过程开展系统研究，旨在检验已有的研究结果，探索未知的双电离机制，发现新的双电离现象，并探讨利用激光场操控双电离过程中的电子关联。本项目基于严格的数学推导，深入研究强场双电离过程中电子-电子之间的关联效应，有助于推动双电离研究的深化，研究结果在多个研究领域有参考意义。

本项目发展强激光和原子、分子相互 作用的非微扰量子散射理论，用全量子的方法深入研究原子、分子的双电离过程。本项目首先得到双电离率的解析表达式并发展相应的计算方法，进而对原子、分子的双电离过程开展系统研究，旨在检验已有的研究结果，探索未知的双电离机制，发现新的双电离现象，并探讨利用激光场操控双电离过程中的电子关联。经过项目组四年的努力，我们在强激光场中原子分子的双电离研究中取得重要进展，如推导了电子对在量子化强激光场中运动的本征态--全量子化的Coulomb-Volkov态，借助散射理论，推导了不同过程中双电离率的解析表达式并编制相应的计算程序，计算了双电离率和光电子能谱以及角分布，讨论了不同情况下电子之间的库伦排斥的影响；确立了双电离过程满足标度定律的物理机制，根据标度定律选择激光场参数，首次展示了惰性气体原子双电离率随激光强度变化的Knee结构，揭示了圆偏振激光场中电子碰撞的普遍性和观测条件；根据氧分子价电子分布的特点，提出了采用基频和三倍频组合的圆偏振双色激光场激发氧分子产生双电离，大幅提高氧分子的双电离率的方案。该方案可以将氧分子的电离率提高三个量级，有利于观测氧分子的双电离过程中电子的关联效应；用复合位相贝塞尔函数准确描述电子的多光子跃迁几率幅，再现了不同组合的双色场中谐波级次的选择规律，揭示了高次谐波生成过程中自旋角动量的平衡机制；确定了椭圆偏振激光场中角动量的转换和守恒问题，再现了Nature Photonics上报到的双色场中谐波的强度随椭圆偏振度变化呈现的V型结构和倒V型结构；此外还研究了离子阱中离子振动对于探测光场吸收率的影响，二维自旋电池电子的自旋极化输运性质等。相关研究一部分在审稿和数据处理中，一部分已经在包括Physical Review A、Optics Express、Chin. Phys. B等刊物上发表标注本项目资助的文章19篇。本项目执行过程中，先后有6名硕士生毕业并获得硕士学位，其中一名硕士研究生毕业后到上海交通大学继续攻读博士学位，从事强激光物理研究。