周期量级激光场中电子关联特性对波长的依赖

花端阳

(信阳师范学院，河南 信阳 464000)



周期量级激光场中电子关联特性对波长的依赖

花端阳

(信阳师范学院，河南 信阳 464000)

摘要：利用三维经典系综模型研究了周期量级激光脉冲场中氢分子的电子关联特性。计算结果显示，在短波长情况下，关联电子末态纵向动量分布呈现正关联。随着波长的增加，关联电子动量分布还是呈现正关联，但有一部分电子对分布在相反的半球。随着波长的进一步增加，关联电子末态纵向动量分布主要分布在相同的半球。通过反演分析，发现在短波长和长波长情况下，直接碰撞电离(RCI)占主导地位，这导致末态关联电子动量分布呈现正关联。在中等波长情况下，虽然RCI机制也占主导地位，但由于一部分再碰撞发生在电场峰值附近，这导致相应的关联电子末态动量分布呈现反关联。

关键词：周期量级激光场;非次序双电离;关联动量分布

1介绍

自上世纪60年代梅曼发明了第一台激光器以来，激光技术取得了很大的发展，使得人们已经开始认识原子分子物质内部的电子能量微动力学过程。随着超短超强激光脉冲的获得和发展，分子或原子的电子受到振荡激光场的作用力可以和库仑场对电子的吸引力相比拟。因此电子间表现出了高度的非线性行为，于是也就随之涌现出了许多新的有趣的强场物理现象，如强激光场中原子的非次序双电离，高次谐波的辐射以及隧穿电离等。

目前，由实验和理论研究所支持的Corkum 等人提出的准经典重碰撞三步模型来解释非次序双电离的发生过程是被人们广泛接受，其解释为：第一步，一个电子首先由隧穿效应通过激光电场与库仑场所构成的复合势垒，第二步，在振荡激光场中运动加速，当激光脉冲振荡方向改变时返回，第三步，电子以一定的概率返回到母核离子附近，并与其发生非弹性碰撞，通过碰撞传递能量给第二个电子[如果碰撞后第二个电子立即电离，称为直接碰撞电离[若母离子与回复电子碰撞后第二个电子没有立即电离，而是被激发到激发态，并在激光场再次达到峰值附近时通过隧道电离被电离，就是碰撞激发场致电离。目前对原子分子非次序双电离的研究主要集中在关联电子动力学与靶核结构、激光强度、激光波长和载波包络相位等激光参数之间的依赖特性研究。

本文利用经典模型研究了氢分子在周期量级激光场中电子关联特性对激光波长的依赖。

2经典系综理论模型

本论文将采用经典系综理论模型的方法来研究强场氢分子非次序双电离。在我们的经典系综理论模型[5,6]。其中氢分子的两个核间距固定不变，则氢分子系统的总势能主要是由电子与电子之间的库仑排斥势和电两个电子与两个核之间的库仑势组成，在原子单位下，该总势能可表示为：

本论文选择的系综为20万,激光场的波长偏振方向沿z轴方向，激光强度为I=2.0×1014W/cm2，分子轴与z 轴之间的夹角φ=0，核间距R=2a.u.。激光场结束之后，发生双电离的判断依据为两个电子的的能量均大于0。

3结果与讨论

为了减少计算量，我们只研究分子轴与激光偏振方向平行即CEP=0情况。

图3-1是氢分子非次序双电离电子对末态纵向动量分布，其中单位为原子单位。图3-1(a)中双电离电子对末态动量分布主要集中在第一、三象限，末态动量分布以正关联为主导，也就是末态时大多数电子对沿相同的方向发射;图3-1(b)中双电离电子对末态动量分布主要集中在第二、三、四象限，其中又以二、三象限为居多，末态动量分布以反关联为主导;图3-1(c)双电离电子对末态动量分布主要集中在第三象限，末态动量分布以正关联为主导。对图3-1观察我们发现随着激光波长的增加双电离电子对末态动量分布先是以正关联为主导，然后以反关联为主导，最后又回到以正关联为主导。我们可以得出随激光强度的增加，在中红外波长情况下关联电子末态动量分布呈现丰富的关联特性。

图3-1氢分子非次序双电离电子对末态纵向动量分布

图4-1中时间间隔的单位为光周期，其中插图的纵轴表示双电离比率，横轴表示为双电离与直接碰撞之间的时间差。研究发现氢分子双电离的两个电子的末态动量分布和双电离与直接碰撞之间的时间差有很密切的关系。从图4-1的插图中我们可以看出，对于800nm激光脉冲，约53%的双电离事件对应的时间在0.25个光周期里，这表明大部分的双电离的两个电子沿相同方向发射，即是大多数双电离末态动量分布呈正关联，在0.5个光周期里双电离事件约为91%，在0.75 个光周期里双电离事件约为96%。对于1200nm激光脉冲，约80%的双电离所对应的的时间在0.25个光周期内，这表明大部分的双电离的两个电子沿相同方向发射，即大部分末态动量分布呈正关联，在0.5个光周期的双电离事件约占93%，在0.75个光周期的双电离事件约占98%。对于波长为1600nm的激光脉冲，约85%的双电离对应的时间在0.25个光周期内，这表明有更多双电离的两个电子沿相同方向发射，即更多的双电离呈正关联为分布，在0.5个光周期里双电离事件约占96%，在0.75个光周期里双电离事件约占了近100%。

图4-1时间延迟与双电离概率图，插图为时间与双电离比率图

再结合图4-1的(a)、(b)和(c)中的0.25个光周期处的虚直线可以更直观地看到随着波长的增加，在0.25个光周期里双电离发生的概率在逐渐增大。这意味着随着波长的增加，越来越多的双电离的发生是通过直接碰撞电离机制实现的。但我们在对比图3-1的末态动量分布图时发现，在波长为1200nm时，双电离电子对末态动量分布主要集中在第二、三、四象限，与图4-1的结果有些偏差，我们在结合下图的碰撞时间曲线图分析。

图4-2　碰撞时间与概率分布图

4结论

我们研究了在周期量级激光场驱动下，氢分子非次序双电离电子关联动力学及与激光波长的依赖关系。研究表明在近中红外波长的激光场下，电子关联行为与激光波长有丰富的依赖关系。通过反演分析，发现800nm波长作用下的双电离，电子对末态动量分布主要在第一、三象限，大多数的电子对沿相同的方向发射，这主要是因为直接碰撞电离机制占主导地位。对于1200nm波长而言，有一部分双电离电子对末态动量分布在第二、四象限，这是因为虽然直接碰撞电离占主导地位，但有一部分再碰撞发生在电场峰值附近，从而相应的关联电子的末态动量分布表现为反关联。在1600nm情况下，末态动量分布主要在第三象限，这是因为直接碰撞电离机制占主导地位，从而导致关联电子末态动量分布主要呈现正关联。研究发现随波长的的增加，直接碰撞电离机制对双电离总产率的贡献增强。

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中图分类号:TP929

文献标志码：A

文章编号：1671-1602(2016)02-0022-02

作者简介：花端阳(1991—)，男，汉族，河南省信阳市。信阳师范学院，研究生，研究方向：强场物理。