基于强场驱动的空气激光探针脉冲的超快分子动力学研究

Ultrafast molecular dynamics in strong laser fields, including molecular alignment, ionization and dissociation, Coulomb explosion, has been a frontier research field in modern physics. High harmonic radiation and photoelectron spectra are the two main objects measured in studying these processes. However, the equipments in such measurement are sophisticated and expensive because of the ultra-high vacuum requirement. Recently discovered ultrafast air laser, generated via femtosecond filamentation in air, not only shows great potentials in remote sensing applications, but also provides an ideal tool to study ultrafast molecular dynamics in strong laser field due to its outstanding characteristics, i.e., good temporal and spatial coherence, high brightness, wavelength-switchable, capable of long distance propagation. Aiming to find new effects and new physics in molecular dynamics and provide more scientific evidence to uncover the physical mechanism of the ultrafast air laser, this project will investigate the ultrafast molecular dynamics in strong laser fields with the new light source - ultrafast air laser via systemically studying how the air laser spectroscopy varies with the population and evolution of molecular vibrational and rotational states.

强场超快分子动力学主要研究飞秒强激光场作用下分子取向、电离与解离、库仑爆炸等过程，是当前物理学研究领域的重要课题。目前分子动力学研究主要采取高次谐波辐射、光电子能谱仪等测量手段，然而这些测量都要求在极高的真空中进行，其设备复杂，价格昂贵。近年来发现的在空气成丝中产生的超快空气激光辐射，由于其具有高相干、高亮度、波长可调谐、并能够在远距离产生等特点，不仅在远程探测等领域具有重大的应用前景，而且可作为研究强场中超快分子动力学过程的理想探针。本项目拟利用超快空气激光辐射这一全新的光源，通过系统地考察空气激光光谱随激发分子的转动、振动态等的布居与演化而发生的改变，研究分子在强激光场下的超快动力学行为，揭示强场中分子动力学过程中的新效应，新机制，也为彻底阐明超快空气激光的辐射机理提供科学基础。

超快超强激光与物质的相互作用一直是当前物理学的研究热点。尤其是近年来，利用飞秒激光产生的超快空气激光辐射，具有高度相干性、波长可切换、偏振态可控等特点，在非线性光谱学和远程遥感等方面有着重要的应用前景。同时，空气激光辐射由于其具有脉宽短、波长窄的特点，为研究超快分子动力学行为提供了一种全新的手段。此外，超快空气激光产生的物理机制尚不明确，还有许多亟待解决的问题。. 本项目在研究过程中，利用飞秒激光通过隧穿电离过程产生超快空气激光辐射，对空气激光辐射产生过程中氮气分子振动、转动能级粒子数的布居与演化进行了深入探索，进而研究了氮分子和氮分子离子在强激光场下的超快动力学行为：. 利用双色线偏振驱动激光场，通过改变两束激光场间的偏振夹角，产生偏振可调的远程氮气激光；. 通过泵浦探测技术探寻背向超快空气激光的产生条件，为实现背向超快空气激光的产生提供基础；. 通过理论和实验研究氮分子在强场激光作用下的动力学行为，澄清超快空气激光辐射产生的物理机制。. 此外，在本课题支持下，还研究了强场中分子激发态谐波、激光诱导荧光光谱、超快激光与材料表面作用机制等方面的研究，均取得了一定进展。. 综上所述，在课题开展的三年时间里，本项目围绕着强场诱导的空气激光这一主题，利用空气激光作为探针，深入研究了强场中分子的超快动力学行为，并取得了一系列成果，达到了立项目标。这些工作不仅对彻底阐明空气激光的产生机制有重要的帮助，对于空气激光在远程探测中的应用也有着很好的启发作用。