用类维格纳分布函数对阈上电离的理论研究

In study on interaction between the intense laser field and matter, semiclassical theory is one of the important theories to study the ionization of atoms and molecules in intense laser field because it can provide clear pictures of the physical process. The principle of the attoclock technique developed recently is based on this semiclassical picture. However, this semiclassical picture as well as the principle of the attoclock technique has never been checked rigorously due to lack of temporal information of electrons in the ionization process obtained from the existing quantum theories. Our pre-work provided a new method based on the S-matrix theory—Wigner-distribution-like (WDL) function, by which the temporal information of electrons in the ionization process can be acquired. In this project, we will use the WDL function based on the first term of the S-matrix to investigate the various dynamics of electrons emitted from the laser field with different polarization and different frequencies, such as time-energy distribution, time-emission angle distribution and ionization time distribution. By comparing with the semiclassical results, we will check the semiclassical picture and the principle of the attoclock technique. Furthermore, we will develop WDL function based on the rescattering term of the S-matrix to check the semiclassical theory including the rescattering process and investigates the dynamics of higher energy photoelectrons. We hope to provide a new method to investigate the electron dynamics in ATI process.

在强激光与物质相互作用的研究中，半经典模型由于能够提供所研究物理过程的清晰图像，成为研究强激光场原子分子电离的重要理论之一。新出现的阿秒钟技术原理就是基于该半经典模型。由于目前现有的量子理论方法无法获得电子电离过程中的时间信息，这一半经典图像从来没有被严格的检验过。本项目组前期工作提出了一种基于S矩阵理论的新方法—类维格纳分布，通过此方法可以精确的得到电子电离过程的时间信息。本项目拟采用基于S矩阵第一项的类维格纳分布，对不同激光偏振、不同激光频率下ATI过程中光电子的时间-能量分布、时间-出射角度分布、时间电离率分布等各种分布进行研究，结合与半经典理论的比较，对半经典理论和阿秒钟技术原理进行验证。并进一步把该方法拓展到基于S矩阵再散射项的类维格纳分布对包含再散射过程的半经典理论进行验证，研究高能光电子的动力学行为。我们期望为研究光电子ATI过程提供新的方法。

我们分别基于强场近似理论（SFA）和修正的强场近似理论（ISFA），发展了以光电子电离时间为自变量的类维格纳分布函数（WDL）;运用该分布函数系统地研究了阿秒钟技术、阿秒条纹技术以及高阶阈上电离再散射过程中光电子的电离动力学行为。采用基于SFA理论的类维格分布函数计算了不同激光频率下椭圆偏振场中光电子的电离时间分布和角度分布:通过与相应半经典结果的比较，发现两种方法之间在光电子最大电离率所对应的出射角度上存在一个角度偏移，同时在光电子最大电离率所对应的电离时刻上也存在一个时间偏移，且两种偏移不等价，这暗示了阿秒钟原理是不够准确的；研究了单个阿秒脉冲、双阿秒脉冲、以及它们分别与弱的近红外场结合的少周期激光脉冲下光电子的电离动力学行为: 首次从理论上给出了阿秒脉冲光电离过程中光电子的电离时间分布，且进一步揭示了在阿秒条纹技术中弱探测场不但改变了光电子最终到达探测器的能量还改变了光电子的出射时间，从而对阿秒条纹技术原理进行了检验。采用基于ISFA理论的类维格纳分布函数研究了少周期不同激光频率线偏振场中再散射光电子的动力学行为：通过与半经典理论的再散射图像比较，研究了光电子电离过程中隧穿出口和径向初始速度等非绝热现象，揭示了对背向散射的高能光电子来说，隧穿出口比径向初始速度更加重要；研究了少周期激光脉冲下氩原子阈上电离过程中能量在2Up-5Up范围的光电子的动力学行为，结合实验数据，给出了完全不同于文献所给的解释，首次提出“零次返回前向散射”轨道以及该轨道对2Up-5Up范围内的光电子能谱的重要贡献；结合实验数据，研究了少周期线偏振激光脉冲下Xe原子高级阈上电离过程中沿激光电场偏振的两个不同方向出射的光电子的动力学行为，揭示了在高于10Up的高能区域里零次返回前向散射的光电子起了重要的作用。