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超快激光场中原子的相干辐射

周兆妍  
【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。


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