量子隧穿和相干效应在强激光场原子分子电离中的作用

Ionization of atoms and molecules in intense laser field is a hot issue in strong field physics. In this research area, ionization of atoms in elliptical polarized laser field have been successfully used to measure attosecond ultrafast processes by "angular streaking" technology; ionization of atoms in ultraintense laser pulses have been proposed to measure the laser field intensities; ionization of molecules may be used in imaging of molecular structures and electron ultrafast dynamics. So, these three research directions have attracted more and more attention and a series of new phenomena have been found in experiments. However, theoretical researches for them are not enough; a lot of experiment phenomena can not be explained clearly in physics. Most recent works from ours and others have shown that quantum tunneling and interference may be very important in these problems. However, the understanding for these two quantum effects and influence on experiment results are still not very clear. In this project, we will study these problems systematically by three dimensional semiclassical simulations and solving 4+1 dimensional time dependent SchrÖdinger equations numerically to investigate the quantum tunneling and interference effects in them. These studies can help us understanding quantum tunneling and interference effects more deeply and help us to measure molecular structure, ultrafast phenomena, and ultrastrong laser parameters more precisely.

强激光场中原子分子的电离问题是目前强场物理研究的热点之一。在该领域，由于椭圆偏振光中原子电离规律能够用于“angular streaking”技术实现超快测量；超强激光场中原子的电离规律能够用于超强场场强测量；分子电离规律有望实现对分子结构和内部超快电子运动过程进行成像。因此这三个研究方向越来越受到人们的重视，在实验上也发现了一系列新现象。然而，理论方面的研究还不是很完善，很多物理机制仍然不太清楚。最近文献和我们的研究工作表明，量子隧穿和相干效应在这三类问题中可能起着重要的作用，然而人们对于这两类量子效应本身的认识和它们对实验结果的影响规律仍然不是很清楚。本课题拟采用三维半经典模拟和求解4+1维含时薛定谔方程的方法深入考察量子隧穿和相干效应在这些问题中的作用。研究结果有助于我们对量子隧穿和相干效应有更深入的理解，也有助于我们更精确地测量分子结构、超快现象和超强激光参数。

强激光场中原子和分子的电离问题一直是强场与物质相互作用领域的研究热点。一方面，通过最终电离的光电子的各种物理量分布，我们可以推断出其电离过程的超快动力学过程，从而实现对这些超快动力学过程的探测和控制。另一方面，将该系统作为工具，人们能够更为详细地揭示出诸如量子跃迁和隧穿这些基本的物理过程更为深刻的本质。本项目主要研究了强激光场中原子分子电离过程的量子隧穿和相干，以及长程库伦势效应，并分析了这些效应在光电子物理量分布中的体现，同时将研究内容拓展到了非线性系统中的量子隧穿和相干现象。我们发现即使在椭圆偏振光中，长程库伦势在原子刚被电离的一段时间内仍会起到极其重要的作用，进而会对运用“angulear streaking”技术进行超快测量的结果产生较大的影响，进一步的研究发现在电子穿越势垒后0.2倍激光场周期时间以后或电子距离母体离子核超过40个原子单位后，长程库伦势可以安全地被忽略，该结论对简化研究模型具有重要意义。在另一项研究中，我们发现双原子分子中电子的隧穿过程中该电子的波包会发生两中心相干效应，这种效应会造成正交双色光中分子电离产生的光电子微分动量谱沿着主电场方向的不对称分布，该结果为从实验上研究势垒下的隧穿和相干过程提供了新思路。我们将对隧穿和相干现象的研究拓展到了非线性量子系统中，发现其动力学过程既有与线性系统中类似的特征，又有其独特的表现。在此基础上，我们提出利用亮谷子之间稳定的干涉条纹信息进行精确测量的方案。该项目执行过程中已发表学术论文3篇，并形成了具有自己特色的一套研究方案；培养本科生9人，联合培养硕士生2人，正在培养博士生1人。