强激光场作用下的双原子分子电离机制的理论研究

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强激光场作用下的原子与分子电离研究是当前强场物理的研究热点之一,强场电离也是强场现象的基础。随着激光技术发展,人们已经可以实施更复杂的操控,比如分子的准直和取向。计算能力的进步,也允许人们进行更高维度的模拟。由于分子自身包含更丰富的结构特性,在强激光场驱动下出现了一系列不同于原子的现象,这些现象得到了研究人员的广泛关注。已有研究表明与对称分子相比,强激光场驱动下的不对称分子电离过程又呈现出了许多新奇的现象。本论文从双原子分子系统入手,重点研究对称双原子分子在强激光场驱动下的双电离过程,并扩展到不对称双原子分子在强激光场驱动下发生单、双电离的过程。首先,通过求解两个二维电子的含时薛定谔方程(TDSE),模拟了取向对称双原子分子在线性偏振激光场中的双电离机制。通过对取向H2分子的研究发现取向角(分子轴与激光场偏振方向夹角)和激光场的强度可以够影响双电离动力学过程。由于双原子分子的结构特性,对比垂直取向的结果,在平行取向时单电离率总是更大,而双电离率在外场强度较小的时候总是更小;并且会在双电离动量分布中展现出更多的非次序双电离(NSDI)过程。随着激光场强度的增强,对称双原子分子不同取向角下的结构特性被外场削弱,平行取向和垂直取向的动量分布结果趋向一致。本文的研究结果还表明,电子的横向运动是平行取向时两电子发生更大概率的非次序双电离的重要原因之一,两中心干涉效应对于取向依赖的双电离过程也有重要作用,这些结果为探测取向分子阿秒超快双电离动力学提供了一定的理论支持。其次,将研究系统从对称双原子分子推广到不对称双原子分子,研究了 HeH2+在椭圆偏振强激光场中的单电离动力学。对比原子在椭圆偏振激光场作用下的动量分布结果,极性较强的不对称分子动量分布呈现奇异的半环结构,同时观察到在这种体系下包含两种电离通道,即基态电离通道和激发态电离通道。两个通道之间的时间延迟会在椭圆偏振激光场的作用下映射到动量分布上,导致了半环结构的出现,据此可分辨不同通道的贡献。我们将玻恩-奥本海默(BO)近似下的HeH2+不对称分子系统扩展到非BO近似系统以及其他实验上常用的不对称分子系统,相关系统的模拟结果都显示:通过观察不对称双原子分子在椭圆偏振激光场驱动下的单电离动量分布,能够分辨基态电离通道和激发态电离通道的延迟。最后,将不对称的分子的系统和对双电离动力学的探测相结合,数值模拟了线性偏振强激光场作用下不对称的HeH+和它的同位素HeT+单、双电离的过程。研究结果表明,单电离动量分布在沿着激光场偏振方向的正动量处具有更大的概率分布,而双电离动量分布则呈现出了相反的趋势。模拟结果显示发生双电离的两个电子更倾向于从轻核(H或者T)一侧逃逸,而相同体系下发生单电离的第一个电子更倾向于从重核(He)一侧逃逸。我们认为这一反常现象是库仑导致的电离时间延迟和第一个电子的再散射过程相互作用导致的。其次,通过比较不同同位素分子的模拟结果,我们还观察到核的运动增加了两个电子沿着重核一侧逃逸的概率,质量更轻的同位素分子核间距也更容易扩散,进而导致发生次序电离(SDI)的几率变大,最终映射到动量分上,造成更轻的同位素分子展现出了更小的动量分布不对称性。相关研究结果为分子核动动力学的研究提供了一定的理论基础。
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