Введение к работе
Актуальность работы
Значительный прогресс в развитии источников когерентного излучения позволил получать лазерные импульсы фемтосекундной длительности, напряженность электрического поля в которых соизмерима с характерной напряженностью внутриатомных полей (~ 109 —1010 В/см для атомов благородных газов). Взаимодействие столь мощного излучения с атомными системами приводит к существенной модификации спектров генерации высших гармоник (ГВГ) и надпороговой ионизации (НПИ). Наиболее ярким примером такой модификации является возникновение плато (слабой зависимости вероятности фотопроцесса от числа поглощенных фотонов) в спектрах НПИ и ГВГ. Наличие плато в спектрах ГВГ позволяет использовать этот эффект для создания компактных источников когерентного рентгеновского излучения, в частности, в наиболее практически важном для исследования биологических структур [1, 2] диапазоне «водяного окна» - области мягкого рентгеновского спектра, в которой наблюдается минимум коэффициента поглощения воды [3]. В настоящее время достигнуты значительные успехи в генерации более жесткого рентгеновского излучения; к настоящему времени получены гармоники с энергией ~ 1.5 кэВ [4]. Другим важным практическим приложением эффектов плато в спектрах ГВГ является получение лазерных импульсов ат-тосекундной длительности [5]. Длительность таких импульсов сопоставима с характерными атомными временами, что позволяет в реальном времени наблюдать за протеканием атомных процессов, связанных с внутренней динамикой электронов в атомах и молекулах [6, 7].
Отдельно следует отметить развитые недавно новые методы спектроскопии, основанные на анализе спектров ГВГ и НПИ в сильном лазерном поле [8].В основе указанных методов лежит эмпирическая параметризация ве-
роятностей ГВГ и НПИ в виде произведения двух сомножителей: электронного волнового пакета (ЭВП), описывающего движение свободного электрона в сильном лазерном поле и слабо зависящего от свойств атома или молекулы, и параметра, целиком зависящего от электронной структуры конкретного атома или молекулы (сечение фоторекомбинации для ГВГ и сечение упругого рассеяния электрона на атомном остове для НПИ).
Теоретическое описание эффектов плато невозможно в рамках стандартного аппарата теории возмущений по напряженности лазерного поля [9]. Несмотря на наличие ряда алгоритмов численного решения нестационарного уравнения Шредингера (НУШ), их реализация даже на многопроцессорных вычислительных комплексах требует значительных затрат времени. Более того, численные результаты, полученные при фиксированных параметрах лазерного импульса, не обладают значительной предсказательной силой. По этой причине привлекательными становятся аналитические модели взаимодействия сильного лазерного излучения с атомами и молекулами, допускающие точное аналитическое решение и корректно описывающие нелинейные явления при взаимодействии лазерного поля с атомными системами.
Одной и таких моделей является модель эффективного радиуса (МЭР) [10]. Эта модель основана на методе эффективного радиуса [11] и формализме квазистационарных квазиэнергетических состояний (ККЭС) [12]. Существенным достоинством теории эффективного радиуса является возможность получения амплитуд ГВГ и НПИ в замкнутом аналитическом виде [13, 14]. Однако предложенная в [10] МЭР не позволяет учесть влияние возбужденных состояний атомной системы на процесс ГВГ. По этой причине представляет интерес обобщение МЭР в переменном поле на случай систем с несколькими связанными состояниями.
Другим актуальным вопросом является исследование процесса ГВГ в эллиптически поляризованном лазерном поле. Эксперименты по взаимодей-
ствию атомной системы с сильным эллиптически поляризованным светом позволяют получать более полную информацию об атомных характеристиках системы, чем в случае линейной поляризации поля накачки. Такая возможность обусловлена возникновением целого ряда новых эффектов, отсутствующих для линейной поляризации, таких как, например, эллиптический дихроизм в угловых распределениях фотоэлектронов [15] и выходе высших гармоник [16], поворот главной оси эллипса поляризации гармоники относительно главной оси эллипса поляризации накачки [17], отличие эллиптичности гармоник от эллиптичности поля накачки [18] и т.д. Как показывает анализ, указанные эффекты имеют интерференционную природу [16] и их исследование может быть использовано для проверки точности теоретических моделей. В последние несколько лет интерес к атомным фотопроцессам в сильном эллиптически поляризованном световом поле значительно возрос, что связано с развитием новых методов получения импульсов аттосекундной длительности [19-22].
Цель диссертационной работы - теоретическое исследование процесса ГВГ в сильном монохроматическом световом поле с линейной и эллиптической поляризацией на основе метода эффективного радиуса; аналитическое описание амплитуды и выхода высших гармоник вблизи границы высокэнер-гетического плато спектра ГВГ и исследование факторизации выхода высших гармоник на лазерные и атомные параметры.
В рамках поставленной цели решены следующие задачи:
-
Газвит метод эффективного радиуса в монохроматическом лазерном поле, в рамках которого взаимодействие электрона с атомным остовом определяется двумя фазами рассеяния, параметризованными через длину рассеяния и эффективный радиус.
-
Получены точные выражения в рамках приближения эффективного радиуса для амплитуды ГВГ в линейно и эллиптически поляризованном
лазерном поле. Развит аналитический метод оценки амплитуды ГВГ в низкочастотном пределе вблизи границы высокоэнергетического плато.
3. Установлена факторизация амплитуды и выхода высших гармоник вблизи границы высокоэнергетического плато в виде произведения атомных и лазерных факторов. Предложена процедура обобщения аналитических результатов, полученных в рамках метода эффективного радиуса, на случай реальных атомов.
Научная новизна
В диссертации впервые развит метод эффективного радиуса в периодическом лазерном поле, в рамках которого взаимодействие электрона с атомным остовом определяется двумя фазами рассеяния, параметризованными через длину рассеяния и эффективный радиус. На основе этого метода в диссертации выполнен последовательный квантово-механический расчет и впервые получены аналитические выражения для амплитуды и выхода высших гармоник низкочастотного линейно поляризованного лазерного поля. Полученные выражения дают убедительное квантовое обоснование параметризации выхода высших гармоник в виде произведения ЭВП и точного сечения фоторекомбинации, предложенной ранее на основании численного решения нестационарного уравнения Шрёдингера [23].
В модели эффективного радиуса получены аналитические выражения для амплитуды и выхода высших гармоник эллиптически поляризованного внешнего поля, допускающие обобщение на случай реальных атомных систем. В диссертации впервые представлена параметризация амплитуды ГВГ для случая лазерного поля с малой эллиптичностью в виде произведения «атомных» и «лазерных» факторов.
Практическая значимость
Результаты диссертации могут быть использованы для описания процес-
са ГВГ в сильном лазерном поле. Аналитические формулы, полученные в диссертации позволяют предсказать существенную роль эффектов атомной структуры (в том числе и многоэлектронных) при формировании спектра ГВГ. Основываясь на параметризации амплитуды ГВГ, в диссертации предложен новый способ извлечения полной информации о сечении фоторекомбинации во внешнюю атомную оболочку, имеющий высокую точность, который может быть использован для получения полного сечения фоторекомбинации и параметра асимметрии.
Гезультаты диссертации целесообразно использовать в научно-исследовательских организациях и центрах, занимающихся взаимодействием сильного лазерного излучения с веществом: Институт общей физики ГАН, Научно-исследовательский институт ядерной физики МГУ, ГНЦ Курчатовский институт, Санкт-Петербургский государственный университет, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Институт прикладной физики ГАН, Воронежский государственный университет.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
-
Метод эффективного радиуса в монохроматическом лазерном поле для системы с двумя связанными состояниями.
-
Аналитические выражения для амплитуды и выхода высших гармоник линейно и эллиптически поляризованного света в приближении эффективного радиуса.
-
Факторизацизованное выражение для выхода высших гармоник вблизи границы высокоэнергетического плато, допускающее обобщение на случай реальных атомов.
Апробация работы
Основные результаты диссертации представлялись и докладывались на следующих конференциях:
-
Научные сессии Воронежского государственного университета (2009-2012)
-
International Symposium Topical Problems of Nonlinear Wave Physics (NWP'2008) 20-26 July, 2008, Nizhny Novgorod, Russia
-
International Workshop Physics at EBITS and Advanced Research Light Sources (PEARL 2009) 6-9 May, 2009, Dublin City University, Ireland
-
18th International Laser Physics Workshop (LPHIS' 09) 13 - 17 July, 2009, Barcelona, Spain
-
26 International Conference on Photonic, Electronic and Atomic Collisions (ICPEAC 2009) 22-28 July, 2009, Kalamazoo, Michigan
-
20th International Laser Physics Workshop (LPHYS' 11), July 11-15, 2011, Sarajevo, Bosnia and Herzegovina
-
21th International Laser Physics Workshop (LPHYS' 12 ), July 23-27, 2012, Calgary, Canada
Публикации
По материалам диссертации имеется 10 публикаций, из них 4 статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК [А1, А2, A3, А4] и 6 публикаций в сборниках трудов и тезисов конференции [А5, А6, А7, А8, А9, А10].
Личный вклад автора
