强激光场中原子分子阈上电离的共振激发效应研究

Above-Threshold Ionization (ATI) is a milestone for the research of interaction between ultrafast intense laser field and atom and molecule. However, the resonance excitation effect in ATI still needs to be experimentally researched. Our project aims to confirm the contribution of resonance excitation effect in the ATI, the ultrafast femtosecond laser pulse and the tailored laser pulse are used, the reaction macroscope and high energy photoelectron momentum imaging spectrometer will be combined to measure the momentum angular distribution of low-order ATI and high-order ATI electrons which are compared for the same laser parameters, we can succeed to measure momentum of ATI electrons of whole energy range with high resolution. Our research will focus on the characteristic structure in ATI, such as fan-like structure, Freeman resonance and resonance-like enhancement, and look into the pattern of directed ionized electron (low-order ATI ) and rescattering electron (high-order ATI) momentum distribution as the change of the laser pulse parameter, further we can confirm the mechanism of those characteristic structures. Using the tailored ultrafast laser pulse, the possible resonance excitation effect to the ATI can be controlled, the same underlying resonance excitation mechanism for the directed ionized electron and rescattering electron can be explored, finally we can fully understand the ATI process including the resonance excitation which is absent for semi-classical treatment.

共振激发作为光与原子分子相互作用中的一种重要效应，其对阈上电离（Above-Threshold Ionization, ATI）等强场过程的影响尚未系统地实验研究。本项目旨在探索和调控ATI中的共振激发效应，拟采用超短飞秒脉冲激光及其剪裁光脉冲，结合反应显微谱仪和高能电子动量成像谱仪，对比测量低阶ATI及高阶ATI电子动量分布，实现针对不同能量区间电子动量信息更为全面的获取，进而从ATI中扇形结构、Freeman共振和类共振增强电离等特征结构动量分布入手，研究在直接电离区和重散射平台区动量分布与光场特征性质变化的关联，厘清这些特征结构动量分布的物理机制。应用脉冲整形产生的剪裁光场调控共振激发对电子动量分布预期产生的影响，探索不同能量区间背后是否存在相同的共振激发机制，获得更为详尽的全能谱强场ATI的物理图像。

阈上电离中（Above-Threshold Ionization, ATI）的共振激发效应是原子分子与强场相互作用研究中的重要研究课题，并且仍然缺乏系统的研究。本项目针对与共振激发效应相关的特征结构分布，包括扇形结构，Freeman共振以及类共振增强电离等，展开了系统的实验与理论研究工作。首先，我们实现了超短飞秒脉冲激光及其剪裁光脉冲与反应显微谱仪装置的结合，实现了对低阶ATI及高阶ATI电子动量分布的测量。基于二维ATI谱学方法，实现了从不同轨道电离的ATI角分布的提取，揭示了扇形结构及Freeman共振对分子轨道对称性的依赖，发现从内层轨道电离的电子扇形结构消失，出现了arm-like结构分布，这是由于分子轨道波函数的宇称特性决定的。实验上实现了应用剪裁飞秒脉冲对原子ATI中的共振激发过程及电离产率的调控，在旋转线偏振激光作用下ATI出射方向与Freeman共振电子的出射方向显著不同，呈现出不同的streaking角度，表明里德堡态激发后电离与直接隧穿电离可能发生在不同电离时刻。基于π位相控制的脉冲剪裁技术，实现了再不改变激光强度条件下的分子电离产率增强，并且证明此增强效应不是由于Freeman 共振导致的。我们探讨了角分辨的类共振增强电离电子产生机制，发现不同方向上增强的电子来自于不同次回核的电子相干增强导致。基于ATI谱学方法，我们还首次实现了高椭偏度激光的原位精确测量，精度达到10-3 量级。本项目系统阐述了在强场近似模型下从量子轨迹干涉的角度来提供扇形结构与类共振增强电离这些特征分布的产生机制。在项目执行期间培养了研究生8名，其中博士生6名，发表PRL一篇，并在PRA，JCP等期刊上共计发表文章6篇。