線偏振激光場中原子的多光子電離的光電子角分布研究

1、線偏振激光場中原子的多光子電離的光電子角分布研究,報告人：劉鳳榮學號：13720128導師：許曉明,研究的問題：多光子電離,可以通過測光電子的動能、強度、角分布來研究原子、分子、凝聚相，尤其是固體表面的電子結構。光電子角分布是強場中多光子電離研究的基礎光電子角分布指光電子的產生幾率的空間分布線偏振激光場中：光電子主要分布在激光偏振的方向上，并呈現四對稱分布，即具有關于偏振矢量的對稱性和空間反演對稱性。,光電子角分布的處理方法,

2、GAC理論框架：1）Volkov態(tài)描述自由電子在量子化的激光場中運動的狀態(tài) 2）以量子化的Volkov態(tài)為中間態(tài)將電力描述為兩個過程：激發(fā)過程和出場過程 3）每個過程滿足能量、動量守恒利用復合相位Bessel函數表征光電子的躍遷幾率振幅，將光電子的角分布與復合相位Bessel函數直接聯系起來,研究結果,復合相位Bessel函數的性質能夠表征光電子角分布的主要特點及其隨激光強度、頻率以及光電子能量的演化。該理論證實了實驗上已經觀測

3、到的各種光電子角分布，預言了實驗上尚未觀測到的光電子角分布，確立了光電子角分布的標度定律這篇文獻主要介紹強激光場中原子的多光子電離研究中有關光電子角分布的若干重要實驗觀測及采用非微擾量子電動力學對這些現象的處理。,Contents,GAC理論對光電子電離的處理,GAC理論用如下躍遷矩陣來描述多光子電離過程 （1）

4、 其中， 是電子與光場分離的平面波態(tài)， 是束縛電子本征態(tài)， 分別為相互作用前后激光場中的光子數；所有滿足能量守恒的Volkov態(tài)為中間態(tài)，庫侖勢的作用只體現在束縛電子的初態(tài)上。,GAC理論成功的解釋了強光場中半過程的KD效應,光電子角分布的大角度分裂在光電子的出場過程中產生，受激光場的有質動力勢的散射而形成分裂角度的大小決定于光電子的動量和激光場有質動力動量的比值（相同強度的激光場中，低能量的光電子角分布的分裂角度較?。?/p>

5、相同能量的光電子，低強度的激光場中產生較大的分裂角）半過程指電子只有出場過程而無入場過程理論與實驗很好的吻合，檢驗了理論的正確性，而且GAC理論是經過嚴格的數學推導得出的，與其他強場理論相比，具有更大的影響力,復合相位Bessel函數,在單模激光場中，原子的電離伴隨著自發(fā)輻射，對于確定能量的光電子（即某一光電子峰），其產生速率可以表示為,其中 為光電子的微分立體角； 是光電子的動量，它們滿足

6、能量守恒關系,其中 是電離過程中吸收的光子數， 是激光場的優(yōu)勢動力能， 是靶原子的電離勢；,（2）,（3）,上述公式中，采用了一種帶相位的Bessel函數，它通過普通的第一類Bessel函數定義：,該函數對復變量操作非常方便。線偏振激光場中位相Bessel函數與普通Bessel函數相同。借助相位Bessel函數，定義如下復合位相Bessel函數為,（4）,（5）,（6）,其中，,（7）,研究發(fā)現,電離過程中起主導作用的是(4)式

7、中第一個復合相位Bessel函數,它的階j表示電離過程中電子吸收的光子數,其自變量由光電子的動量和激光的強度、頻率等共同決定.復合相位Bessel函數值的變化,決定了光電子角分布的主要特征及其演化.,光電子角分布的噴射結構,實驗觀測顯示，除了沿著激光偏振方向的主枝結構之外，光電子的角分布具有許多微結構。隨著激光強度、頻率以及光電子能量的不同，主枝結構、噴射結構的大小、數目都會發(fā)生變化重要實驗觀測： 1)Richle等人觀測到雙光

8、子過程的光電子角分布,當激光強度的增加時,噴射結構漸漸增大,最后主枝結構消失,光電子的角分布呈現出由展寬了的噴射結構所形成的一鐘型分布 2)Nandor等人觀測到,對一組連續(xù)的ATI峰,多吸收一個光子,其光電子角分布中的噴射結構數也增加一個,GAC理論計算結果,計算結果表明： 1）光電子的角分布具有沿著激光偏振方向的主枝結構,還有從主枝結構腰部伸出的噴射結構 2）隨激光強度、頻率以及光電子能量的不同,主枝結構可能分裂、消

9、失,噴射結構的數目以及大小都會有明顯的變化 3）噴射結構可能會大于主枝結構而成為光電子角分布的主要部分,研究發(fā)現,在多光子電離過程中,電子的躍遷幾率幅可由復合相位Bessel函數 來描述。復合相位Bessel函數的值隨自變量Z的增加而振蕩地增加,從而形成一系列的極值點;對應于最大值Zmax附近的復合相位Bessel函數的值形成了光電子角分布的主枝結構,其它的的極值點附近的復合相位Bessel函數的值形成光電

10、子角分布的噴射結構;,,如果 小于其臨近變量對應的復合相位Bessel函數的值,則光電子角分布的主枝結構出現分裂;如果 ,則主枝結構消失.復合相位Bessel函數的振蕩特點由其階j和第二個自變量 決定.下面以雙光子過程為例,建立光電子的角分布與復合位相Bessel函數的對應關系.,雙光子過程,躍遷幾率幅由二階復合位相Bessel函數決定，函數的值隨著自變量Z的變化的振

11、蕩形成了光電子角分布的噴射結構。自變量Z隨激光強度的增加以及激光頻率的減小而減小,從而導致了激光強度增加時主枝結構消失,（8）,光電子角分布的噴射結構數目與復合相位Bessel函數的對應關系,理論對應關系一個極值點形成光電子角分布一側的兩個噴射結構吸收偶數個光子電離的光電子，其角分布必有重心噴射結構；吸收奇數個光子電離的光電子，其角分布必無重心噴射結構；與實驗觀測一致結論：光電子角分布一側的噴射結構的數目,等于自變量最大值范圍

12、內復合相位Bessel函數的極值數目的兩倍.,光電子角分布的噴射機構隨光電子能量的變化,根據公式（3）光電子的能量由其從光場中吸收的能量決定,用其電離過程中電子吸收的光子數目j來表示光電子能量的變化影響兩個方面：1）一是復合位相Bessel函數的階數,這將決定光電子角分布有無中心噴射結構;2）自變量Z的最大值的大小,這將決定噴射結構的數目和大小.,,當多吸收一個光子時,復合位相Bessel函數的自變量的最大值增加,所覆蓋的復合位相

13、Bessel函數的值的振蕩增多,相應地噴射結構的數目增加;同時中心噴射結構從有到無或者由無到有,光電子角分布一側的噴射結構數目在奇偶數之間轉化.噴射結構數目的增加必然是奇數個:它可以是一個,就如Nandor等人觀測到的;也可以是三個或者其他奇數個,就如在氫原子的多光子電離角分布中發(fā)現的,光電子角分布的標度定律,光電子角分布 Bessel函數 由 決定，

14、 所以，這三個參量決定光電子角分布的特點，三個參量不變，光電子角分布的主要特點不變 光電子角分布定律： 當用頻率為k倍,強度為k3倍的激光激發(fā)結合能為k倍的原子時,光電子的角分布的主要特征不變.,,,,,,在三種情況中驗證了標度定律 (1)閾上電離, (2)駐波光場中的半K-D效應; (3)倍頻光中的相位差效應.采用不同的激光頻率和激光強度,激發(fā)不同束縛勢的原子,并保持j,EB,up不變時得到的光電子角分布

15、.從圖3可以看出,不論激光場的頻率和強度如何變化,只要保持j,EB,up不變時光電子角分布的主要特點相同,從而確立了標度定律.,光電子角分布的標度定律的意義,指出光電子的角分布主要特征由三個無量綱的量j,EB,up決定,從而確定了相關研究中的三個基本物理參數;將不同頻率、不同強度的激光激發(fā)不同電離能的原子時得到的光電子的角分布聯系在一起,使得實驗物理學家得以選擇可行的實驗參數,使得理論物理學家得以確定等價角分布并和實驗比較.,結論與

16、討論,復合相位Bessel函數的性質決定了光電子角分布的主要特點及其隨激光強度、激光頻率和光電子能量的演化.噴射結構與光電子的角動量無關,與初態(tài)、中間態(tài)的角動量無關,它由復合相位Bessel函數的振蕩形成的.噴射結構的數目等于自變量最大值范圍內復合相位Bessel函數的極值數目的兩倍;吸收偶數個光子形成的光電子,其角分布必有中心噴射結構,吸收奇數個光子形成的光電子,其角分布必無中心噴射結構.光電子角分布的標度定律的確立具有重要意