馬文超 王曉楠

遼寧師范大學(xué)，遼寧 大連 116000

原子分子在強(qiáng)激光場中的電離機(jī)制

馬文超 王曉楠

遼寧師范大學(xué)，遼寧 大連 116000

由于超強(qiáng)超短脈沖激光技術(shù)的不斷發(fā)展以及獲取超短超強(qiáng)和高功率激光脈沖的能力上取得了重大進(jìn)步，使得原子分子在強(qiáng)激光場下的電離和解離機(jī)制成為原子分子物理中的研究熱點(diǎn)，隨著激光場強(qiáng)度的增加，原子分子的電離機(jī)制分為多光子電離、閾上電離、場致電離和多電子電離。

強(qiáng)激光場；電離機(jī)制；原子分子

自激光器問世以來，激光與物質(zhì)之間的相互作用就一直是人們研究的熱點(diǎn)。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，在獲取超短超強(qiáng)和高功率激光脈沖的能力上取得了重大進(jìn)步。激光脈寬不斷縮短，科學(xué)家已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生了脈寬在阿秒量級(jí)（10-17～10-18s）的超短激光脈沖。隨著激光脈沖寬度達(dá)到原子分子內(nèi)部振動(dòng)乃至電子的運(yùn)動(dòng)周期，脈沖強(qiáng)度達(dá)到乃至超過原子分子內(nèi)部電場強(qiáng)度，人們對(duì)原子分子物理的研究進(jìn)入了嶄新的階段。而原子分子作為物質(zhì)的基本單元，研究其在強(qiáng)激光場中的電離機(jī)制也變得極為重要。

強(qiáng)激光場是指強(qiáng)度在1012～1017W/cm2之間的激光場。原子分子在強(qiáng)場中的電離機(jī)制，可以隨著光強(qiáng)、脈沖寬度和頻率的不同，分為多光子電離、閾上電離、場致電離。

在強(qiáng)激光場下，原子或分子同時(shí)吸收兩個(gè)或者兩個(gè)以上的光子后失去電子成為離子的過程，稱為多光子電離。多光子電離一般發(fā)生在光場強(qiáng)度低，頻率較高的激光場中，如圖1（a），在激光強(qiáng)度較低的情況下，利用低階含時(shí)微擾理論，可以得到n個(gè)光子的電離概率的表達(dá)式為：，其中為n個(gè)光子電離時(shí)的吸收截面，的值是隨著n的增加急劇減小的。所以，多光子電離時(shí)所需要的光子數(shù)越多，電離的概率就越小。光場強(qiáng)度I越強(qiáng)，電離概率就越大。

閾上電離是指原子或分子在強(qiáng)光場中吸收的光子數(shù)n+s大于電離所需要的光子數(shù)n而發(fā)生的電離過程。其中多吸收的s個(gè)光子將轉(zhuǎn)化為出射電子的平動(dòng)能，如圖1（b）。用微擾理論討論閾上電離，出射光電子的能量可以由Einstein光電效應(yīng)方程計(jì)算出：，其中就是平均動(dòng)能，n為電離所需最少光子數(shù)，s為多吸收的光子數(shù)，是激光的角頻率，為電離n個(gè)光子所需要的電離能。發(fā)生閾上電離現(xiàn)象的原因是強(qiáng)大的激光場使原子或分子所在的庫侖場發(fā)生某種變形，使吸收完光子后本應(yīng)該被電離的電子還處在受庫侖場約束的狀態(tài)下，繼續(xù)吸收更多的光子，直到能量可以掙脫庫侖場。

場致電離可以分為隧穿電離和勢壘抑制電離。隧穿電離就是在強(qiáng)光、低頻率情況下，高強(qiáng)度的外電場把庫侖場扭曲，這種扭曲使在激光的偏振方向上形成一個(gè)勢壘，被束縛的電子越過勢壘發(fā)生電離，如圖1（c）。勢壘抑制電離是在隧穿電離基礎(chǔ)上將光強(qiáng)繼續(xù)增加，高強(qiáng)度的外電場繼續(xù)扭曲庫侖場，最終是庫侖場的勢壘高度越來越低，直到勢壘的高度小到不能再束縛電子，電子就越過勢壘，逃離庫侖場變成自由電子，如圖 1(d)。這里區(qū)別這幾種電離有一個(gè)重要的量，即。為了判斷出原子或分子在強(qiáng)場下的電離方式，Keldys定義出表達(dá)式：，當(dāng)時(shí)發(fā)生的是隧穿電離，時(shí)發(fā)生的是勢壘抑制電離，時(shí)發(fā)生的是多光子電離。

隨著強(qiáng)激光甚至超強(qiáng)激光的輸出成為可能，為我們研究光與物質(zhì)的相互作用提供更強(qiáng)有力的武器，也有新的領(lǐng)域正在慢慢擴(kuò)展，這些正在進(jìn)展的領(lǐng)域?qū)聿粌H僅為我們提供物質(zhì)本身的性質(zhì)，還會(huì)為改變物質(zhì)本身的性質(zhì)提供必要手段。

[1]MAINE P,STRICKLAND D,BADO P,et al.Generation of ultrahigh peak power pulses by chirped pulse amplification[J].IEEE Journal of Quantum Electronics,1988, 24:398-403.

[2]BRABEC T, KRAUSZ F.Intense few-cycle laser fields: Frontiers of nonlinear optics[J].Rev. Mod. Phys,2000, 72: 2.

[3]POPMITCHEV T, CHEN Ming Chang, ARPIN P,et al.The attosecond nonlinear optics of bright coherent X-ray generation [J]. Nature Photonics, 2010, 4: 822-832.

[4]Robert J. Levis and Merrick J. DeWitt, 1999,J. Phys. Chem. A, Vol. 103, No. 33.

[5]VORONOV G S, DELONE N B.Ionization of the xenon atom by the electric field of ruby laser emission[J]. JETP Lett,1965, 1:66-68.

[6]MAINFRAY G, MANUS C. Multiphoton ionization of atoms[J].Rep.Prog.Phys,1991,54:1333-1372.

[7]KARULE P, KIMMAN J, MULLER H G,et al. Electron spectra from multiphoton ionization of xenon at 1064, 532, and 355 nm[J].Phys. Rev,1983, A 28:248-255.

[8]GONTIER Y, TRAHIN M. Energetic electron generation by multiphoton absorption[J].Phys. B:At.Mol. Phys,1980,13:4383-4390.

[9]TONG X M, ZHAO Z X, LIN C D.Theory of molecular tunneling ionization[J].Phys. Rev,2002,A66:033402.

[10]KELDYSH L V. Ionization in the field of a strong electromagnetic wave[J].Sov.Phys.JETP,1965,20:5.