基于含时密度泛函理论的多电子原子在中红外强激光场中的性质研究

The rapid development of super-intense, ultra-short laser technology leads to the interaction of between laser and atoms into a strong nonlinear research field. On the one hand, various fantastic phenomena appear in experiments,and show a wide application foreground;On the other hand,these phenomena observed experimentally need to be explained by precise non-perturbative theories,and predict new phenomena in experiments. This proposal present a self-interaction-free time-dependent density-functional theory (TDDFT) for nonperturbative treatment of many-electron atomic systems including many-body effect and macroscopic effect in intense laser fields. The theory is based on the extension of the time-dependent Kohn-Sham formalism and Maxwell's equations, The time-dependent exchange-correlation potential with proper short- and long-range behavior is constructed by means of the time-dependent optimized effective potential (TDOEP) method and the incorporation of an explicit self-interaction correction (SIC) term. Our research focus on the properties and application of many-electron atomic systems for helium (He), neon (Ne), argon (Ar) inert gas in intense mid-ir laser fiel，such as very high-order harmonic generation,spectral characteristics, ultra-short attosecond pulse generation,and so on. In addtion, this project will study the optimization of phase-matching of macroscopic high-order harmonic generation from inert gas, which can lead to improve the conversion efficiency for harmonics emision, our research will provide a theoretical support for the application of high-order harmonic and attosecond pulses generation.

随着超强、超快激光技术的飞速发展，激光与原子相互作用的研究进入了非线性强场研究领域。一方面，实验中出现了许多新的、奇特的物理现象，且具有广阔的应用前景；另一方面，要求精确的非微扰理论对实验现象加以解释并预言实验上观测不到的新现象。本项目将在含时密度泛函理论框架下，利用自相互作用修正的优化效应势方法，构造具有正确短程和长程行为的交换相关势，精确地求解多电子原子含时Kohn-Sham 方程以及麦克斯韦方程，处理强激光场中多体效应、宏观效应的多电子原子系统,主要研究最近实验上需要理论解释的氦（He）、氖（Ne）、氩(Ar)等多电子惰性气体原子在中红外超强、超短激光脉冲作用下的性质及其应用，如极端高阶高次谐波的产生及其特性，超短阿秒脉冲的生成等。同时，本项目还将研究宏观惰性气体原子产生高次谐波的相位优化匹配问题，探索提高谐波转化效率的方法，为高次谐波和阿秒脉冲的应用提供理论支持。

近年来，强激光与原子分子相互作用产生的非线性光学现象引起了人们极大的兴趣。本项目研究了最近实验上需要理论解释的多电子惰性气体原子在中红外超强、超短激光脉冲作用下的性质及其应用，我们开发出了精确数值求解强激光场中N个电子原子系统的类Kohn-Sham方程和考虑宏观介质演化效应的麦克斯韦方程的计算程序[Phys.Rev.A 88, 053415 (2013)]，主要研究内容和重要结果如下：研究了极端高阶高次谐波的产生及其特性[Phys.Rev.A 89, 023431 (2014)]；研究了宏观惰性气体原子产生相位匹配增强的机制，即只有在共振位置附近才可以产生相位匹配增强的阈下谐波谱，并且相位匹配的阈下谐波谱可以通过激光场进行控制; 研究了多重散射对共振增强的近电离阈附近高次谐波发射的影响[Phys.Rev.A 90, 041401(R) (2014)]以及强激光场中多重散射电子产生高次谐波（HHG）的动力学机制[Scientific Reports 6，32763 (2016)]；研究了近电离阈值和电离阈值下高次谐波的动力学机制[Nature communications 6,7178 (2015)]；研究了多光子电离机制下量子路径在高次谐波产生过程中的角色[Optics Express 24(13)，(2016)]；研究了通过优化控制原子激发态产生效率增强和平台展宽的超连续谐波谱、超短阿秒脉冲生成、提高谐波转化效率的方法[Phys. Rev. A 91，063408 (2015)，Phys. Rev. A 92，023423(2015)]等等。我们的研究为高次谐波和超短阿秒脉冲的实验研究和应用提供了理论支持，不仅使我们能够更加深入地认识原子分子的结构和性质，而且具有深远的科学意义。