Введение к работе
j-Л . ,
Актуальность темы. В' последнее десятилетие исследования взаимодействия мощного лазерного излучения с атомами и молекулами продвинулись область интененвностей 1014 -10** Вт/см!. Вблизи верхней границы этого диапазона напряженность электрическогополя лазерной волны существенно превосходит атомную. Взаимодействие столь интенсивных электромагнитных полей с изолированными квантовыми системами (атомами, ионами, молекулами, ; кластерами): сопровождаете» целым рядом нелинейно-оптических явлений, из которых наибольший интерес - привлекают Г наллороговая ионизация (поглощенно фотоэдактгроном больщеіх», чем необходимо для выхода в континуум, числа; квантов лазерного поля}/, генерация высоких гармоник лазерної» излучения и многократная ионизация в результате прямого действия ноля (в отсутствие типичных для плазмы столкновительных механизмов).
Первое ^жсііеримеїггальное' наблюдение --.- иадпорогового ' спектра фотоэлектронов относится к 1979 году (PlAgostiniet аі), В настоящее время .значительное числоисследовательских лабораторий во всём мире продолжает интенсивное изучение как собственно надпороговой ионизации, так и других связанных с пей нелинейныхоптических эффектов.(Исследование этого круга явлений позволяетдостичь более;;Диодного понимания физики электрон -.атомного взаимодействия в присутствии сильного электромагнитного поля й поэтому представляет несомненный обіїк^нзнческйй интерес. Кроме того, изучениенадпорігоіюй. ионизации и ; генерации 'высоких гармоник представляется важным »в прикладном аспекте: спектр фотоэлектронов и 'зарядиона, возникающие; в. элементарном акте, ионизации, важны для исследований лазерной плазмы; Генерация гармоник высокого порядка рассматривается как .перспективный:, метод: получения ультракоротких импульсов когерентного корогковолііовііго "излучения с: перестраиваемой частотой. Создание источников такого излучения--достаточной мощности обеспечит существенный прогресс и медицине, бйолопщ и микроэлектронике.
Теоретические исследования явления надпороговой ионизации интенсивно развиваются уже более тридцати лет, беря начало с пионерской работы Л.В.Келдыша (1964). Однако, существенный прогресс в лазерной технике, наблюдавшийся в последние годы, привел к накоплению большого числа новых экспериментальных результатов, для интерпретации и описания которых требуется улучшение и обобщение существующей теории. В частности, совершенствование техники эксперимента и расширение диапазона доступных интенснвиостен лазеров сделало возможным детальное изучение поляризационных и интерференционных явлений в спектрах надпороговой ионизации. В последние годы была также исследована высокоэнергетнческая часть спектра надпороговой ионизации (B.Yang et al., 1993, G.G.lMuIus ct al., 1994), формирующаяся за счет эффекта ііерсрассеяния фотоэлектрона на : родительском ионе с поглощением большого числа квантов лазерного поля.
В имеющейся на сегодняшний день научной литературе, посвященной исследованию надпороговой ионизации, слабо затронуты . вопросы, относящиеся к зависимости спектров и угловых распределений фотоэлектронов от поляризации лазерного поля. Отсутствует простая аналитическая теория описывающая вклад перерассеяішя в спектры иадпороговой ионизации. В рамках известных подходов, основанных на молельных численных расчетах, не удается исследовать зависимость формы и интерференционной структур*, спектров перерассеяния от параметров поля и атома, что затрудняет формулировку ясной физической картины явления и делает невозможных выполнение количественных оценок при подготовке и проведенні экспериментов.
Отметим также, что большая части современных экспериментов направленных на исследование надпороговой ионизации, осуществляется і условиях туннельного режима ионизации, определяемого неравенство»
. у = -j2leo/F <1.(здесь / - потенциал ионизации квантовой системы, а о и F частота . и напряженность электрического поля лазерной волны). Эт<
обстоятельство привлекает повышенное внимание к теоретическим результатам, относящимся к ионизации в туннельном режиме. ;.""
Таким образом, разработка простой аналитической квантовой теории надпороговой ионизации (включая перерассеяние) в сильных низкочастотных лазерных полях представляется одной из наиболее- актуальных задач современной физики взаимодействия лазерного излучения с веществом. Цель- диссертации: развить простую аналитическую теорию надпороговой ионизации атомов в туннелыюй режиме, приспособленную для описания поляризационных эффектов в спектрально-угловых распределениях фотоэлектронов и. позволяющую: учесть, вклад в спектры ионизации, . ; возникающий от церерассёяния электронов на родительском ионе. , Научная новизна. В диссертации впервые получены следующие результаты.
. Рассчитано импульсное распределение фотоэлектронов при ионизации системы, связанной полем короткодействующих сил, сильной эллиптически поляризованной лазерной волной, применимое при произвольном значении параметра эллиптичности и в случае малых и средних эллиптичностей совпадающее с полученным ранее (А.М.Переломов и др. 1967). ,''
Рассчитаны угловые распределения и спектры фотоэлектронов в сильном
эллиптически поляризованном лазерном'-поле..' Подробно исследован эффект
вытягивания углового распределения фотоэлектронов при промежуточных
значениях параметра эллиптичности в ..направлении, поперечном
максимальному электрическому'полю'.- / ;
Получен переход к статическому (<у-»0) пределу в импульсном
распределении фотоэлектронов. Найдено, распределение фотоэлектронов по
мгновенным скоростям в момент ионизации сильным низкочастотным
эллиптически поляризованным лазерным полем. Установлен статус и.условия
применимости феноменологической двухступенчатой модели фотоионизации
(P.B.C'orkum, 1989). ;; г.;"-;-'. ;
Рассчитана пространственно-временная структура волнового пакета фотоэлектрона в процессе туннельной ионизации в переменном электрическом поле. ' " .' ' -"''. ; _.-.'.-' '-V. "": 'у;-':::',.-'-': ' :''':' -.--TV ''''
В режиме оптического туннелирования рассчитаны спектрально-угловые распределения фотоэлектронов, перерассеянных родительским ионом. Исследованы зависимости формы, абсолютной величины и интерференционной структуры спектра от параметров поля и атома. Установлен механизм интерференции в высокоэнёргетнческой .части спектра. Определены характерные параметры интерференционной 'Структуры, сформулированы условия, необходимые для ее наблюдения,' Ч; - ''..\:-"'Г/':.}'::'' - ; , ;
' Результаты' квантово-механических.-,"' расчетов ., спектрально-угловых
распределений. перерассеянных ; электронов переформулированы .в,. виде,
удобном 'для. сравнения с феноменологической трехступенчатой, моделыо
ионизации (W.Becker, 1994), Показано, что последняя хотя и верно определяет
положение классической границы спектра, за которой распределения быстро
убывают, но сама"становится неприменимой в окрестности этой границы.
Научная и практическая значимость работы. Развитый в диссертации временной подход к вычислению амплитуды фотономизацйи и полученное на его основе интегральное представление для этой амплитуды могут! быть использованы как удобный и эффективный вычислительный аппарат для аналитического расчета вероятности излучения высоких гармоник и многоэлектронной ионизации в сильном лазерном поле.
Результаты расчетов J спектрально-угловых . распределений
фотоэлектронов в сильном низкочастотном эллиптически поляризованном лазерном поле находится в качественном согласии с данными недавних экспериментов. Расчеты, выполненные в рамках развитой в диссертации квазиклассической теории перерассеяния, . демонстрируют хорошее количественное согласие с многочисленными экспериментальными данными,
' '. '.-: - 6 Г'.'.'-------- '.'-; '- '-';' ""'. '-'-- .'.-.''.""..: -.
полученными на атомах инертных газов с использованием лазерных полей
интенсивностью 10м-1015 Вт/см2.
Простота полученных аналитических 'выражений для спектрально-угловых распределений фотоэлектронов перерассеяния делает их удобными для выполнения теоретических оценок, необходимых при подготовке экспериментов и анализе их результатов. Результаты расчетов спектрально-угловых распределений электронов в процессах прямой надпороговои ионизации и перерассеяния могут быть положены в основу численного моделирования процессов, возникающих в плазме в присутствии сильного
лазерного ПОЛЯ. -„.'':':'- : " .-. ;.'):'
. Основные положения, выносимые на зашиту. 1: Результаты расчетов импульсного распределения фотоэлектронов в сильном низкочастотном эллиптически поляризованном лазерном поле, :: обеспечивающие предельный переход к случаю циркулярной поляризации.
-
Аналитические выражение для углового, распределения и спектра фотоэлектронов в сильном эллиптически поляризованном лазерном поле.
-
Распределение фотоэлектронов по скоростям в момент ионизации сильным эллиптически поляризованным лазерным полем.
-
Результаты расчета пространственно-временной структуры волнового пакета фотоэлектрона в сильном линейно поляризованном лазерным поле.
' 5. Аналитические л выражения для " импульсного распределения
фотоэлектронов перерассеяния, рассчитанные "" с учетом
интерференционных эффектов У ' Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 9 работ (см. список в конце- автореферата). Основные результаты докладывались на 7-ой Международной конференции по многофотонным процессам (Германия, Гармиш-Партенкирхен, 1996), 4-ой Международной конференции по ктптовой оптике (Польша, Жазовиек, 1997), 6-ой - 8-ой Международных конференциях по лазерной физике (Чехия, 1997, Германия, 1998, Венгрия, 1999), )4'Ой
Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Россия,
Москва, 1998), конференциях «Фундаментальная Атомная Спектроскопия» и
Научных' Сессиях МИФИ. Представленные в диссертации результаты
неоднократно докладывались л обсуждались на семинаре по физике
многофотонных процессов В ИОФР АН. :-,'-: v
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав,
заключения и .списка литературы из 70 источников. Общий объем диссертаций
- 74 страниць^ включая II рисунков. .'>..". -/-..'''Л;/ . . "'_>< _\: v
