基于多态耦合方法的双原子分子阿秒瞬态吸收谱谱线结构及其应用的理论研究

Attosecond transient absorption spectroscopy (ATAS) is a popular method to study the properties and ultrafast dynamics of molecules in recent years. This method not only provides sub-femtosecond research technique for ultrafast optics, but also brings new opportunities for the development of laser chemistry. Since the spectrum contains a wealth of transient molecular structure information, the understanding of the spectral structure has become a key issue that needs to be solved in this field. At present, there is still controversy about the generation mechanism of non-polar diatomic molecular ATAS spectral structure, and a lack of basic understanding of the polar molecular ATAS spectral structure, which limits the application of ATAS in molecular systems to some extent. In this project, we will systematically study the ATAS spectral structure of the diatomic molecule, mainly focus on the development of analytical theory of the spectral structure of polar molecule, then investigate the influence of potential energy surface, wave packet motion and other conditions on the spectral structure. On this basis, the wave packet reconstruction of the highly excited state of polar molecules will be realized, and the molecular optical Stark effect under the infrared electric field will be studied by ATAS. The implementation of this project can help us to deeply understand the molecular ATAS spectral structure and its physical mechanism, and lay a theoretical foundation for the experimental detection of sub-femtosecond molecular dynamics of highly excited states and provide experimental solutions.

阿秒瞬态吸收谱（ATAS）是近年来研究分子高激发态性质和动力学的热门方案。该方案不仅为超快光学领域提供了亚飞秒的研究手段，也为激光化学的发展带来了新的机遇。由于ATAS谱线中包含了丰富的分子瞬态信息，因此对谱线结构的理解成为该领域急需解决的关键问题。目前人们对非极性双原子分子谱线结构的产生机制还存在着争议，对极性分子谱线结构更是缺乏基本的认识，这在一定程度上限制了ATAS在分子体系中的应用。本项目将系统地研究双原子分子ATAS谱线结构，重点发展极性分子谱线结构解析理论，进而研究势能面、波包运动等条件对谱线结构的影响。在此基础上，将利用ATAS对极性分子高激发态波包进行重构，并研究红外电场作用下分子高激发态的光学斯塔克效应。该项目的实施可以帮助人们深入理解分子ATAS谱线结构及其物理机制，为探测分子亚飞秒高激发态动力学奠定理论基础并提供实验方案。

阿秒瞬态吸收谱是研究分子超快相干动力学的有效手段，复杂的谱线结构与分子系综相干态的制备有直接联系。对强激光作用下体系相干方面的研究是本项目的研究重点。围绕相干动力学和高次谐波的产生，我们主要开展了以下七个方面的研究：1. 发展了分子的强场瞬态电离模型，用以计算强场电离后分子离子的约化密度矩阵。发现斯塔克效应会使测量的分子频谱信号发生频移，该频移可用于重构缀饰态势能面。2. 发展了一套重构分子混合态随时演化密度矩阵的方案。该方案不限于测量信号类型，具有普适性。3. 研究了氦原子高次谐波产生过程中库伦力对电子长轨迹电离和复合时刻的影响，发现库仑吸引力会导致电子隧穿30阿秒的时间延迟。4. 发现偏压电场下双层石墨烯会产生偶次谐波辐射，谐波强度具有六角对称性。这是由电场偏压导致的面内相邻原子间电子密度不对称引起的。5. 提出垂直双色场探测库伦诱导电离时间的方案。发现氦原子短轨道约有35阿秒的电离时间延迟。6. 理论上研究并揭示了石墨烯高次谐波反常椭偏依赖的物理机制，基于半经典再碰撞模型构建了物理图像。7. 我们理论上研究了固体高次谐波的动力学过程，发现电子的多次速度反转引起的电子空穴多次再碰撞，是产生固体高次谐波多条量子路径的原因。以上工作为激光诱导分子相干的计算提供了理论支撑，为进一步采用阿秒瞬态吸收谱追踪分子超快相干动力学奠定了基础；对固体高次谐波产生和机制的研究，加深了人们对谐波辐射过程的认识。项目执行期间，我们在自然指数期刊Physical Review A上发表论文7篇。本人以博士后身份协助指导博士研究生2名，硕士研究生3名。本项目直接经费25万元，支出15.32万元。剩余经费9.68万元，计划用于项目的后续支出。