超快激光场中原子的相干辐射

论文摘要

在本文中我们主要研究了原子在不同频率强度超短激光脉冲作用下的原子的相干光辐射过程。重点观察了理论已经很完善的高次谐波以外的其他相干辐射过程和相应的光谱,特别是超拉曼谱和太赫兹辐射谱。其具体内容由以下四部分组成:首先是基础理论部分。介绍了无激光场作用时能量本征态波函数的求解方法,然后是在激光场作用下利用分裂算符法求解多维的偶极近似和非偶极近似下的含时薛定谔方程以得到波包演化的具体步骤。当软核势模型中势参数足够小时软核势模型向硬核势过渡。通过计算软核势向硬核势模型过渡过程中,本征波函数及本征能量的变化,结合高次谐波辐射谱,证明了选择一维软核势对氢原子进行模拟是合理的并能有效的节省计算时间。其次是超拉曼线增强的相干控制。这一部分根据激光场的范围分为两个方面。首先是在红外激光的作用下选择软核势的基态与第一激发态的相干叠加态作为初始态。当这两个束缚态的能级差很小时,可以通过控制激光场强使得电子只能被激发而非电离,这时我们能得到只有超拉曼线而无高次谐波的原子辐射谱。并且通过选择频率不同的组合激光与初始态在基态的原子相互作用亦能实现超拉曼线的抬高。其次在超强高频的激光作用下,当电离抑制发生时,超拉曼线的产生条件会自动满足,并有很高的辐射效率。此时原子辐射谱中除了常规的奇次谐波以外,还有精细结构对称的分布于奇次和偶次谐波的两边。经过分析发现奇次谐波附近的精细结构是由具有相同宇称的平均Krameters-Henneberger势（KH势）能级间的跃迁引起的超拉曼线。而通常人们认为在电离抑制条件下会产生的偶次谐波其实是由相反宇称的能级间的多光子跃迁产生的超拉曼线。然后是太赫兹辐射的研究。我们利用解含时薛定谔方程对原子与强场相互作用下太赫兹频段的辐射进行模拟,通过对一维、三维氢原子和一维短程势模型的计算,得到了太赫兹辐射主要是由电离阈以上的连续态之间跃迁产生的结论。同样在太赫兹频段亦存在着由高里德堡态之间跃迁产生的线状结构。针对倍频场叠加或偏置场叠加下太赫兹辐射显著增强的情况进行了模拟,关于太赫兹辐射强度与基频光和叠加场的强度的依赖关系上得到了与实验上一致的结果。然后利用强场近似模型计算了在基频场和倍频场叠加的情况下连续态直接跃迁的矩阵元来模拟太赫兹辐射,这有助于我们更直观的理解太赫兹辐射过程。随后通过解含时薛定谔方程得到了双色场作用下太赫兹辐射与两束激光的相位差的依赖关系的定量表达。在短程势模型的帮助下,模拟证明了在光吸收或损耗不为零的情况下三阶非线性张量为复数张量,太赫兹辐射随两束激光的相位差的变化会偏离简单的余弦依赖关系。并证明对基频光光子能量与原子电离能比值在0.5～1之间的情况,这个偏离的角度与电子吸收光子到达电离阈以上时的速度呈线性依赖关系,为太赫兹辐射的双色场相干控制提供了有益的信息。最后使用分裂算符法求解含时狄拉克方程,并对原子的辐射谱进行了计算,并将结果与使用偶极和非偶极近似下的含时薛定谔方程计算的辐射谱进行了比较,研究了相对论效应对原子强场中相干辐射过程的影响。此外介绍了狄拉克方程内在特有的zitterbewegung现象以及其在辐射谱计算中对应的谱线。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 原子在强场中的电离
• 1.1.1 多光子电离与隧穿电离
• 1.1.2 阈上电离
• 1.1.3 电离抑制
• 1.2 原子辐射谱
• 1.2.1 高次谐波
• 1.2.2 超拉曼线
• 1.2.3 太赫兹的辐射
• 1.3 相对论高能激光与粒子的相互作用
• 1.3.1 相对论条件下的多光子和隧穿电离
• 1.3.2 相对论X射线辐射
• 1.4 本文的主要研究内容及研究方法
• 参考文献
• 第二章 理论方法
• 2.1 激光与原子相互作用的含时薛定谔方程
• 2.2.1 经典辐射场
• 2.2.2 激光场与原子的相互作用
• 2.2 分裂算符法
• 2.2.1 求解电偶极近似和长度规范下含时薛定谔方程
• 2.2.2 求解非电偶极近似长度规范下含时薛定谔方程
• 2.3 初始波函数的求解
• 2.3.1 打靶法
• 2.3.2 Crank-Nicholson数值积分方法
• 2.3.3 虚时间演化
• 2.3.4 谱方法
• 参考文献
• 第三章 一维软核势模型在红外激光作用下的辐射谱
• 3.1 一维软核势系数对强激光场下的高次谐波的影响
• 3.1.1 软核势模型介绍
• 3.1.2 原子辐射谱的计算方法
• 3.1.3 结果与讨论
• 3.1.4 小结
• 3.2 初始为相干叠加态时超拉曼线的增强现象
• 3.2.1 研究背景
• 3.2.2 结果与讨论
• 3.2.3 小结
• 本章小结
• 参考文献
• 第四章 高频超强激光作用下原子的电离抑制和辐射谱的精细结构
• 4.1 电离抑制的Kramers-Henneberger模型
• 4.2 一维氢原子在高频强场下的辐射谱中由缀饰态之间的跃迁产生的精细结构
• 4.2.1 高次谐波和超拉曼线都产生的情况
• 4.2.2 只有超拉曼线的情况
• 4.2.3 只有高次谐波的情况
• 4.2.4 能量简并情况下偶次谐波的出现
• 4.2.5 小结
• 4.3 真实氢原子在高频强场下的辐射谱中由缀饰态之间的跃迁产生的精细结构
• 4.3.1 真实氢原子在高频强场下的辐射谱的精细结构的分析
• 4.3.2 改变激光频率时原子的辐射谱
• 4.3.3 小结
• 本章小结
• 参考文献
• 第五章 在超短脉冲作用下原子的太赫兹辐射
• 5.1 理论介绍
• 5.1.1 非极性极化率的经典理论
• 5.1.2 太赫兹辐射的研究背景
• 5.1.3 计算方法
• 5.2 单色场激光作用下的太赫兹辐射
• 5.3 双色场激光作用下的太赫兹辐射
• 5.3.1 Morlet小波变换
• 5.3.2 倍频光叠加下的太赫兹辐射的四光子过程
• 5.3.3 双色场对短程势的作用
• 5.3.4 双色场对一维氢原子的作用
• 5.4 偏置场的叠加
• 5.4.1 叠加静电场导致太赫兹辐射的增强
• 5.4.2 太赫兹频率的激光场的叠加下导致的太赫兹辐射和二次谐波的抬高
• 本章小结
• 参考文献
• 第六章 双色场激光作用下太赫兹辐射的强场近似理论以及太赫兹强度与双色场之间相位差的关系
• 6.1 强场近似理论下连续-连续跃迁几率
• 6.1.1 强场近似理论介绍
• 6.1.2 太赫兹辐射的强场近似理论
• 6.1.3 计算结果
• 6.2 太赫兹辐射与两束光相位差的依赖关系
• 本章小结
• 参考文献
• 第七章 超强激光作用下原子辐射谱的相对论量子力学理论
• 7.1 研究背景及理论介绍
• 7.1.1 相对论条件下原子辐射谱的历史发展和现状
• 7.1.2 激光与原子相互作用的含时狄拉克方程
• 7.1.3 用分裂算符法解含时狄拉克方程
• 7.2 结果与讨论
• 7.2.1 磁场作用对电离抑制及其相应的原子辐射谱的影响
• 7.2.2 狄拉克方程与偶极近似薛定谔方程
• 本章小结
• 参考文献
• 第八章 结论与展望
• 致谢
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 原子单位