库仑修正的强场多体S矩阵理论

The ultrafast imaging and quantum control of atoms/molecules in intense laser field, which is based on the non-sequential double ionization process, call for an elaborate theory to quantitatively describe the related physical process. We will develop a Coulomb-corrected intense-field many-body S-matrix theory to perform systematic study on the electron rescattering trajectories, inelastic scattering cross section and quantum interference effects in non-sequential double ionization process. Firstly, we will make corrections respectively to the action, electron trajectories and the initial and final states of scattering process in S-matrix theory to include the effect of Coulomb potential. Then, by applying the Coulomb-corrected S-matrix theory, we will investigate the features of the rescattering trajectories with different returns and the relative contributions of them for different laser parameters; we will also study the interference effect between these trajectories and try to find the proper parameter regime for experimental observation. We will study the inelastic scattering cross section for different initial and final states; we will explore the dependence of the cross section on the molecular structure and try to find a way to extract the structural information of the molecule back from the cross section. Finally, we will perform systematic study on the interference effects between different double ionization channels and further develop a method to image the wave packet and to control the physical process based on the interference in non-sequential double ionization process.

基于非序列双电离过程的强场原子分子超快成像以及量子调控技术的快速发展迫切需要一种精确高效的理论方法能对相关物理过程进行定量描述。通过本项目的研究，我们拟发展一套库仑修正的强场多体S矩阵理论对非序列双电离过程中的电子轨道、非弹性散射截面以及量子干涉效应进行系统的研究。首先将分别对多体S矩阵理论中的作用量、电子轨道以及非弹性散射过程的初态和末态进行修正，从而使其能够正确有效地包含库仑势的影响。利用新发展的理论研究不同激光参数下不同返回次数重碰撞轨道的特性以及相对贡献的变化；研究它们之间的干涉效应，寻找能够被实验观测到的参数区间。系统研究不同的散射初态和末态对非弹性散射截面的影响；研究分子结构对散射截面的影响，探索从散射截面中提取分子结构信息。系统研究非序列双电离过程中不同通道的各种干涉效应，探索利用干涉效应对原子分子成像以及对相关物理过程调控的方法。

随着实验技术的不断发展，以及人们对超快强场物理过程研究的逐渐深入，之前理论上对电子关联的定性描述已经不能满足要求，迫切需要更加精确高效的理论方法。我们结合了不同理论方法的优势，发展了库仑修正的强场多体S矩阵理论，可以同时将量子效应以及电子与核之间的库仑相互作用同时包含到一个理论中，对电子关联定量描述。利用新发展的库仑修正多体S矩阵理论，我们研究了强场非次序双电离过程，重现了实验发现的多种电子关联分布以及它们之间的转变。同时发现了一种新的再散射过程：第二个电离电子与二价离子的再散射，其在阈值以下非次序双电离过程中起到关键作用。基于S矩阵理论我们还发展了描述强场里德堡态激发的量子模型，成功重现了实验结果和数值求解薛定谔方程计算结果中里德堡激发几率随光强变化的峰状结构，为强场里德堡态激发提供了一个物理图像：伴随阈上电离过程的相干俘获过程。我们系统研究了库仑场对再散射过程的影响，发现在高阶阈上电离和非次序双电离过程中，库仑聚焦会大幅增加第三次返回轨道的贡献，其甚至会超过第一次返回轨道，它们的相对贡献可以通过改变激光脉冲宽度进行调控。我们研究了非次序双电离过程中的量子效应，发现再散射电子不同返回轨道之间的干涉效应在碰撞激发电离过程中非常显著，导致不对称参数随光强的变化曲线中出现恒定周期的振荡结构。另外，电子动量关联分布以及离子纵向动量分布在特定激光参数范围内对第二个电子电离中间态波函数有很强的依赖。本项目的工作为超快原子分子物理的研究提供了有力的理论工具，为超快光场诱导电子关联动力学提供了新的见解，同时还为发展更高精度的的超快成像方法提供了理论方案。