少周期飞秒激光场下氩原子非次序双电离对载波相位的依赖关系

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随着激光技术的发展,超强激光与物质相互作用已经成为物理学前沿中一个重要的研究领域,尤其是少周期飞秒激光脉冲技术的发展为人们在阿秒时间尺度上理解和控制电子动力学提供了强有力的手段。对于少周期激光脉冲,激光电场的形状依赖于载波-包络相位(CEP)。通过改变CEP,可以控制少周期激光脉冲的电场从而操控超快电子动力学。2001年,Paulus等人在实验中第一次观测到载波-包络相位对光电子发射的影响。之后,人们使用CEP稳定的少周期激光脉冲研究了高次谐波(HHG)、高阶阈上电离(HATI)和非次序双电离(NSDI)等强场超快原子物理现象。强激光场下原子的非次序双电离过程由于涉及电子关联这一基本物理问题而受到更为广泛的关注。该过程是一种强场诱导的再散射过程,主要有直接碰撞电离(RDI)和碰撞激发-隧穿电离(RESI)两方面的贡献。2004年,Liu等人利用冷靶反冲离子动量谱仪(COLTRIMS)实验测量了NSDI下不同CEP的Ar2+离子平行动量分布,研究发现少周期激光场下,通过改变CEP,可以控制隧穿时间、电离几率和返回能量,从而导致Ar2+离子平行动量谱对CEP有很强的依赖性。然而,Liu等人利用经典模型模拟得到的数值结果与实验测量有较大偏差。迄今为止,该实验测量结果尚未得到进一步的理论研究。其后,2017年全威等人测量了Ne2+平行动量分布随CEP的分布,利用半经典模型研究了少周期飞秒激光场下Ne原子NSDI引起的Ne2+动量分布,得到相对较好的模拟结果,但模拟结果中主要的双峰结构仍与实验有一定偏差。在本文中,我们利用定量再散射(QRS)理论模型,模拟在波长为760 nm、激光强度为3.5×1014 W/cm2的少周期激光脉冲下Ar原子NSDI关联电子动量谱。根据QRS模型中,NSDI的CMD可以表示为返回电子波包(RWP)与无场情况下电子碰撞激发和碰撞电离母离子散射微分截面的乘积。其中,RWP描述返回电子的动量分布,利用强场近似获得。(10)Ar电子碰撞激发的散射微分截面采用目前最为精准的R-矩阵理论来计算,激发态电子隧穿电离的动量分布通过求解含时薛定谔方程得到。此外,我们在扭曲波玻恩近似框架下计算电子碰撞电离(10)Ar散射截面,并利用Lotz公式进行校准。在将散射微分截面投影到电场极化方向得到电子平行动量分布时,我们考虑了再碰撞时刻电场的存在而引起的阈值能降低。由于我们根据量子散射理论分别得到电子碰撞激发和电子碰撞电离Ar+的精确散射截面,因此可以准确识别RDI和RESI各自对Ar2+离子平行动量谱的贡献。结果表明,在实验条件下,Ar2+离子平行动量谱主要贡献来自RESI,而RDI导致了不对称双峰结构的出现。最后,我们将模拟得到的不同CEP下Ar2+离子平行动量谱与实验测量直接进行比较,发现QRS理论能够定量地再现实验结果。
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