Введение к работе
Актуальность работы
Исследование процессов нелинейного взаимодействия сильного лазерного излучения с атомами и молекулами представляет собой одну из наиболее актуальных проблем атомной и лазерной физики [см., напр., обзор [1] и указанную в нем литературу (около 1000 наименований)]. К настоящему времени наиболее изученными являются процессы генерации гармоник лазерного излучения атомарными газами, а также одно- и многоэлектронная ионизация атомов сильным лазерным полем, в которых атом поглощает большое число (сотни) фотонов лазерного излучения. Высокая эффективность этих процессов обусловлена специфическим для случая сильного светового ПОЛЯ механизмом набора энергии из лазерного поля электроном, освободившимся из атома вследствие ионизации и удерживаемым вблизи атома сильным осциллирующим полем, путем перерассеяния на положительном ионе родительского атома [2]. Этот механизм приводит к наличию в сечениях процессов области так называемого плато, в которой сечения слабо зависят от числа поглощаемых фотонов и, таким образом, обеспечивают значительный выход высокоэнергетических электронов и высших гармоник лазерного излучения.
Наряду с отмеченными выше процессами, индуцированными лазерным излучением, сильное лазерное поле приводит также к существенной модификации столкновителъных процессов, возможных и в отсутствии поля, в частности, Электрон-Атомного Рассеяния (ЭАР) и Электронной ФотоРеком-бинации (ЭФР). К настоящему времени эти процессы изучены значительно менее полно, чем лазерно-индуцированные процессы (см., напр., обзор [3]). Наличие высокоэнергетического плато в спектре ЭАР, обусловленного эффектами перерассеяния, предсказано впервые в работе [4]. Первое наблюдение модификации спектра ЭФР интенсивным микроволновым полем выпол-
нено в недавней работе [5]. Теоретический анализ ЭФР в сильном лазерном поле выполнен впервые в работах [6, 7] пренебрегая действием атомного потенциала U(г) на электрон в континууме. В [6, 7] было показано, что сечение ЭФР слабо зависит от частоты Q рекомбинационного излучения в достаточно широком интервале, образуя низкоэнергетическое плато в спектре ЭФР. Пер-турбативный (в борновском приближении) учет действия потенциала U{r) на рекомбинирующий электрон [8] приводит к появлению в спектре ЭФР второго, менее интенсивного плато в области высоких частот Q (высокоэнергетическое плато), обусловленного эффектами перерассеяния.
В настоящее время актуальным является вопрос о точном учете атомного потенциала при расчете сечений нелинейных фотопроцессов, который в последние годы представляет особый интерес в связи с экспериментами по извлечению информации об атомной структуре (в частности, сечений фотоионизации и упругого рассеяния электронов на атомном остове) из спектров генерации высших гармоник и надпороговой ионизации атомов [9]. Очевидно, что рассмотрение этого вопроса невозможно в рамках борновского приближения (как в [6-8]). Отметим, что в теории нелинейных атомных фотопроцессов число аналитических результатов, показывающих явную зависимость экспериментально наблюдаемых величин от параметров лазерного излучения и свойств атомного потенциала, весьма ограничено. В теории нелинейной ионизации таким результатом является известная формула Келдыша [10] и её модификации, а для ЭАР - формулы Бункина-Федорова [11] и Кролла-Ват-сона [12]. Однако эти формулы не описывают эффекты перерассеяния. Простые аналитические результаты с учётом эффектов перерассеяния, непертур-бативно учитывающие потенциал U(r), были недавно получены в Методе Эффективного Радиуса (МЭР) для описания генерации высших гармоник [13] и спектра высокоэнергетических электронов [14] вблизи границы высокоэнергетического плато. Поэтому представляет интерес вопрос о возможности по-
лучения аналогичных результатов для ЭАР и ЭФР для выяснения роли эффектов атомного потенциала в этих процессах. Кроме того, важным является вопрос о механизмах усиления выхода электронов и фотонов в области высокоэнергетического плато. Для процесса ЭФР этот вопрос ранее не исследовался, а существенные усиления в спектрах ЭАР вследствие резонансных явлений были предсказаны недавно в модели МЭР в работе [15].
Цель диссертационной работы
Цель диссертации - теоретическое исследование процессов ЭАР и ЭФР в сильном монохроматическом лазерном поле на основе метода эффективного радиуса, аналитическое описание области спектра вблизи границ плато с явным выделением параметров, зависящих от лазерного поля и атомного потенциала, и анализ резонансных эффектов в процессе ЭФР.
В рамках поставленной цели решены следующие задачи:
Развита итерационная процедура решения точного уравнения для волновой функции рассеяния в МЭР в низкочастотном приближении. На ее основе получена аналитическая формула для сечения ЭАР в окрестности границы высокоэнсргстичсского плато в спектре ЭАР в виде произведения двух сечений упругого рассеяния электрона (с модифицированными полем импульсами) на атомном потенциале и лазерного параметра, содержащего функцию Эйри.
В рамках МЭР получены точные выражения для амплитуды и сечения радиационного фотоприлипания электрона к атому (ЭАФП) (аналог ЭФР) с образованием отрицательного иона со слабосвязанным s-или р-электроном. Выполнены численные расчеты сечений.
С использованием МЭР получены аналитические квазиклассические выражения для сечения ЭАФП в области границ низко- и высокоэнергетического плато, допускающие обобщение на случай ЭФР.
Исследована роль эффектов атомной структуры и интерференционные явления в спектрах ЭФР в сильном лазерном поле.
Получена общая параметризация сечения резонансного ЭФР, аналогичная параметризации Фано [16] для сечения фотоионизации с резонансом на автоионизационном состоянии. Выполнен аналитический и численный анализ резонансных спектров и профилей резонансов в МЭР.
Научная новизна
На основе последовательных квантово-механических вычислений с использованием МЭР в диссертации впервые получены аналитические квазиклассические выражения для сечений ЭАР и ЭАФП в сильном лазерном поле в области высокоэнергетического плато, допускающие обобщение на случай атомного потенциала с кулоновской асимптотикой. Полученные выражения впервые дали убедительное квантовое обоснование классической модели перерассеяния для столкновительных процессов в лазерном поле, а также показывают, что сечения ЭФР/ЭАФП не могут быть записаны в факторизованном виде, типичном для сечений других нелинейных атомных фотопроцессов (в том числе ЭАР), вследствие особой чувствительности формы высокоэнергетического плато в спектрах ЭФР/ЭАФП к виду атомного потенциала.
Получены точные выражения в рамках МЭР для амплитуды ЭАФП, которые впервые позволили установить наличие резонансного усиления сечений ЭАФП для энергий налетающего электрона, при которых он может быть захвачен в квазистационарное состояние отрицательного иона с последующим испусканием рекомбинационного фотона. Впервые получена параметризация сечений ЭФР/ЭАФП вблизи резонансных энергий электрона, указывающая на асимметричный профиль резонанса и показывающая, что форма спектра резонансной ЭФР (как функция числа поглощенных фотонов) совпадает с формой спектра генерации высших гармоник связанным электроном.
Практическая значимость
Результаты диссертации могут быть использованы для описания фоторекомбинации и рассеяния электронов на атомных мишенях в сильном лазерном поле и представляют, в частности, интерес для задач физики плазмы, связанных с проблемами генерации высокочастотного излучения плазмой, генерации высокоэнергетических электронов в плазме и т.д. Аналитические формулы для сечений, впервые полученные в работе в результате последовательного квантового расчета, обосновывают применимость известной классической «трехступенчатой модели» для описания ионизации и генерации гармоник и для описания столкновительных процессов в лазерном поле. Они позволяют принципиально сократить количество вычислений и качественно понять особенности рассмотренных процессов, в частности, предсказывают существенную роль эффектов атомной структуры в спектрах ЭАР и ЭФР в лазерном поле. Результаты диссертации целесообразно использовать в научно-исследовательских организациях и центрах, занимающихся взаимодействием сильного лазерного излучения с веществом: Институт общей физики РАН, Научно-исследовательский институт ядерной физики МГУ, РНЦ Курчатовский институт, Санкт-Петербургский государственный университет, Научно-исследовательский ядерный университет «МИФИ», Воронежский государственный университет, Институт прикладной физики РАН.
На защиту выносятся следующие результаты и положения:
Аналитическое квазиклассическое выражение для сечения ЭАР в сильном низкочастотном лазерном поле в области границы высокоэнергсти-ческого плато в спектре ЭАР, а также его обобщение на случай рассеяния электронов на положительных ионах.
Точные выражения для амплитуд ЭАФП в МЭР в монохроматическом
лазерном поле с образованием отрицательного иона в связанном s- или р-состоянии и результаты численных расчетов спектра ЭАФП.
Аналитические квазиклассические результаты для сечения ЭАФП в сильном низкочастотном лазерном поле в области границ высоко- и низкоэнергетического плато и их обобщение на случай ЭФР.
Установлена существенная роль эффектов атомной структуры в спектре ЭФР в сильном лазерном поле и предсказано проявление эффекта Рамзауэра в спектре ЭФР на ионах Хе+.
Параметризация сечений ЭФР/ЭАФП в области резонансных энергий налетающего электрона и связь резонансных сечений с сечением генерации высших гармоник связанным электроном.
Аналитический и численный анализ резонансных профилей в сечениях ЭАФП в МЭР.
Апробация работы
Результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:
Научные сессии Воронежского государственного университета (2009-2011)
XXIV Съезд по Спектроскопии, Москва, Троицк, 2010
10th European Conf. on Atoms, Molecules and Photons (ECAMP X), Salamanca, Spain, 4-9 July 2010
19th International Laser Physics Workshop (LPHYS' 19), Foz do Iguasu, Brazil, 5-9 July 2010
Международная конференция «Frontiers of Nonlinear Physics» (FNP-2010), Нижний Новгород - Санкт-Петербург, 2010
6. 20th International Laser Physics Workshop (LPHYS' 20), Sarajevo, Bosnia and Herzegovina, 11-15 July 2011
Публикации
По материалам диссертации имеется 8 публикаций, из них 3 статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК ([А1], [А2], [A3]) и 5 публикаций в сборниках трудов и тезисов конференций: [А4], [А5], [А6], [А7], [А8].
Личный вклад автора
Определение целей и задач диссертации осуществлялось научным руководителем, проф. Манаковым Н.Л. Автором лично выполнены аналитические и численные расчеты, представленные в диссертации. Обсуждение и интерпретация полученных результатов, а также подготовка публикаций к печати проводились совместно всеми соавторами. Результаты, составляющие содержание основных положений, выносимых на защиту, получены автором лично.
Структура и объем диссертации
