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CWDVR谱方法及其在强场原子物理中的应用

曾思良  
【摘要】:“数值模拟实验”方法是强场原子物理研究中非常重要的手段之一。如何对人们所关注的物理现象进行更准确,更高效地数值模拟,是当前强场原子物理和计算物理研究的重要内容之一。本论文基于CWDVR (coulomb wave function discrete variable representation)原理,开发了一整套普适性强的强场原子物理大型数值模拟程序,可用于高效精确模拟真实原子在复杂外场(电场/磁场)中的三维量子动力学行为。本论文重点解决了如何精确描述库仑奇点,以及如何大幅提高求解三维含时薛定谔方程计算效率的问题。利用新发展的CWDVR谱方法,系统地研究了由强激光和原子相互作用产生的几种典型的强场物理现象。此外,还研究了强磁场对氢原子能级结构的影响。具体内容由以下四个部分组成: 第一部分是基础理论建模。首先引入描述激光和原子相互作用长度形式的含时薛定谔方程(TDSE);其次,简单地回顾当前几种数值求解TDSE常见的解法;最后,详细介绍本论文发展的劈裂算符CWDVR谱方法以及将其应用于求解三维TDSE。该理论方案可以自然地描述库仑奇点问题,并且有较高的计算效率,为求解更高维多电子的TDSE奠定了基础。此外,还从三维波函数在网格上表示的精度,多极矩阵元的计算等多个角度对理论方法和程序进行了检验。 第二部分内容主要聚焦于光致电离的研究。首先,使用非微扰的波包演化方法计算了氢原子的单光子激发和电离过程,并和解析解进行了比对。结果表明:本文的模拟结果和解析解吻合,在低能极限下该非微扰方法仍具有很高的数值精度。其次,研究不同的激光场对氢原子电离速率的影响。和其它的高精度的理论结果的比较结果表明:该方法具有很高的计算效率,并且对所加的外场没有特别限制,有很强的普适性。最后,系统考察库仑奇点和短程势以及不同的激光参数对低能区阂上电离(ATI)光电子能谱的影响。通过深入分析低能区ATI光电子能谱的共振峰的位置和相对强度,解释了这些共振峰的成因。 第三部分内容主要利用CWDVR谱方法研究原子在激光辐照下的相干光辐射过程。首先,定量地考察了不同的模型势对数值模拟高次谐波(HHG)发射结果的影响。其次,从新的视角研究了相干叠加态的HHG发射。这些结果阐明了原子结构和量子干涉对于相干叠加态HHG发射及其相干控制的影响。最后,从理论上研究如何采用双色场制备单个亚50阿秒的超短孤立脉冲。数值模拟的结果表明:该相干调控方案允许两束激光的强度和相位在较宽的范围内涨落,有利于实验上实现。 最后,基于CWDVR谱方法发展了一套简单、高效、易用的高精度理论法和计算程序研究强磁场中的原子能级结构问题。计算了磁场强度从0到2.35×109特斯拉(T),氢原子基态和低激发态的结合能以及四极矩等重要原子能级结构参数。其中,部分低场强的高精度数据为首次给出。结果表明:相对于其它的高精度计算方法,该方法不仅能计算出高精度的能级位置而且可方便给出精确的电子波函数。特别是在中、低场强区间,该法更适合快速的高精度计算。此外,该法还具有很强的普适性,可直接推广到原子与任意方向的交叉电磁场相互作用的研究。


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