超短圆偏振激光作用下的氢分子离子的超快动力学过程

Ultrashort laser pulses open the door observing the ultrafast dynamics of atoms and molecules in strong laser fields with high time resolution. As the simplest molecule, the hydrogen molecular ion attracts a lot of attentions. In previous researches, the ultrafast dynamics of hydrogen molecular ions is confined in one dimension, i.e., the laser polarization direction. However, when a hydrogen molecular ion is exposed to a circularly polarized laser pulse, the molecule presents complex dynamics in two dimensions. We will simulate a four-dimensional time-dependent Schroedinger equation by including the two dimensional dynamics of nuclei and the electron, for studying the coupling between molecular rotation and electron excitation, the proton asymmetric emission triggered by the charge resonance enhanced ionization. This project will greatly extend the understanding of ultrafast dynamics of molecules, for example, generating molecular ring current, expedition of molecular rotation, the coherent control of electron localization in two dimensions.

超短激光脉冲提供了研究原子分子在外场中超快动力学过程的高时间分辨率工具。氢分子离子作为自然界最简单的分子获得了广泛的关注。以前有关氢分子离子的电离和解离通常是把电子和原子核的动力学过程限定在线偏振激光的偏振方向，是一维的动力学过程。当氢分子离子置于圆偏振激光脉冲中时，氢分子离子在激光偏振平面内的动力学过程更复杂。这种复杂性不是从一维到二维的简单推广，而是涉及了更多基本的物理过程，如电子跃迁对分子转动的影响，电荷共振电离导致的原子核能谱和空间出射角之间的关系。我们将数值模拟包含二维原子核、二维电子动力学过程的四维空间含时薛定谔方程，研究氢分子离子在圆偏振激光作用下的电离和解离过程。这一研究将大大拓宽人们对分子超快过程的理解，如有效生成分子环形电流，分子转动的加速，在二维平面内相干控制电子的位置。

氢分子离子是自然界最简单的分子，其在强激光场中的超快动力学过程提供了人们理解电子-原子核、原子核-原子核在飞秒甚至阿秒时间尺度的超快动力学机制。本项目利用数值模拟含时薛定谔方程、强场近似理论等方法研究强激光驱动下氢分子离子的超快动力学过程，取得了多个重要成果，包括：（1）揭示了发生高阶阈上解离的机制，即H2单电离后，自由电子返回原子核碰撞激发H2+使之解离；这种碰撞激发在每个激光振荡周期内均会发生，且相互干涉，周期间的干涉最终产生了分子高阶阈上解离。（2）建立了非偶极强场近似理论，研究了激光和原子相互作用光电子动量在激光传播方向的分布；理论计算结果可以和已有的实验测量数据吻合，解释了电子和原子核散射对电子动量分布的影响。（3）揭示了氢气分子从隧穿电离到分子解离的时间差。先后在Physical Review Letters、Nature Communications、PNAS等杂志发表论文三十余篇，多次在国内外会议上报道了相关研究成果。此项目的研究为继续深入开展分子超快动力学过程奠定了基础。