Теория надпороговой ионизации атомов в туннельном режиме и генерация коротковолнового излучения Кулягин, Ростислав Валерьевич

Введение к работе

Актуальность темы

Прогресс лазерной физики последних лет привел к созданию источников сверхсильных полей, пиковая напряженность F₀ которых сравнима или превышает напряженность внутриатомного поля F_at = 5.14-10⁹ В/см. Получаемые импульсы излучения имеют длительность фемтосекундного диапазона и пиковую интенсивность I₀ I_at = 3.510¹⁶ Вт/см². Экспериментальные работы с использованием сверхсильных лазерных полей (ССЛП) открыли совершенно новую физику взаимодействия излучения с веществом. Наиболее обсуждаемые в последние годы вопросы связаны с экспериментальным обнаружением генерации высоких оптических гармоник (ГВОГ), некаскадной ионизации многоэлектронных атомов, особенностей энергетических и угловых распределений фотоэлектронов, других процессов. Все эти эффекты связаны с явлением надпороговой ионизации атомов, открытым в конце 70^s годов. Это явление состоит в том, что в процессе эволюции фотоэлектронов в континууме они продолжают поглощать энергию от лазерного поля. Таким образом, исследуемые в экспериментах аспекты взаимодействия атомов с ССЛП определяются не столько особенностями акта ионизации, сколько последующим движением фотоэлектронов в области их взаимодействия с лазерным полем и атомным остатком.

Строгое аналитическое описание всех особенностей такого взаимодействия невозможно ввиду его чрезвычайной сложности, поскольку для решения соответствующей задачи необходимо рассматривать трехмерное нестационарное уравнение Шредингера, гамильтониан взаимодействия в котором должен учитывать неоднородность лазерного

излучения. Численное решение такого уравнения требует огромных вычислительных затрат даже при использовании суперЭВМ' и дает результаты, физическая интерпретация которых весьма затруднительна (в этом смысле подобный численный эксперимент можно сравнить с реальным). Это приводит к необходимости создания приближенных теорий, которые применимы в той или иной области изменения параметров лазерной накачки. Такие теории должны включать в себя описание как элементарного акта ионизации, так и эволюции фотоэлектронов в континууме. В случае, когда ионизация носит туннельный характер, взаимодействие атомов со сверхсильным лазерным полем может быть описано в рамках полуклассического" подхода, общая идеология которого была предложена несколько лет назад'". Однако в существующем виде сам подход применим лишь в области сравнительно небольших интенсивностей накачки I₀ « I_dt. Диссертационная работа посвящена развитию полуклассической теории взаимодействия атомов со сверхсильным лазерным полем, которая позволит рассматривать импульсы лазерного излучения с интенсивностью 1₀ > I_at-

С точки зрения практических приложений, интерес к этой проблеме связан ' ' с' возможностью создания новых лазерных технологий, использующих когерентное излучение с малой длиной волны (в том числе и

Например, для расчета временной эволюции атома гелия во внешнем поле на ЭВМ CRAY T3D с 256 параллельными процессорами требуется порядка 20 часов машинного времени.

Термин "полуклассический" используется в том смысле, что эволюция волнового пакета электрона в континууме в соответствии с теоремой Эр^нфеста может быть с хорошей точпостыо описана классическим уравнением движения.

'Corkum Р.В. Plasma Perspectives on Strong-Field Multiphoton Ionization. Pliys. Rev. Lett, V.71, 5993, p.1994-1997

рентгеновского диапазона). Получить такое излучение можно путем эффективной генерации атомами оптических гармоник с предельно высокими номерами. В связи с этим, большой интерес представляет вопрос о минимальной длине волны, которая может быть эффективно получена в экспериментах по генерации гармоник атомами при лазерной накачке.

Цели диссертационной работы

1. Развитие полуклассической теории взаимодействия атомов со
сверхсильным лазерным полем, которая позволяет описывать
истощение атомных состояний вне рамок теории возмущений (ТВ),
рассматривать влияние кулоновского электрон-ионного взаимодействия
и релятивистских эффектов на движение квазисвободного
фотоэлектрона в континууме, а также учитывать расплывание
волнового пакета электрона в континууме.

1. Построение модели туннельной ионизации, которая в рамках единого подхода описывает как подбарьерное гуннелирование электрона, так и его надбарьерное прохождение.

2. Анализ особенностей эволюции фотоэлектронов в континууме под действием сверхсильного лазерного поля, в том числе определение минимальной длины волны, которая может быть эффективно получена в экспериментах по генерации рекомбинационного излучения атомами при лазерной накачке.

Научная новизна

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые предложен полуклассический подход, позволяющий рассматривать взаимодействие

атомов с излучением, обладающим предельными параметрами: пиковой интенсивностью 1₀ - 10¹⁵ - 10¹⁸ Вт/см² и длительностью импульса порядка нескольких оптических периодов. Особое внимание в работе уделено процессу ионизации. Построена модель туннельной ионизации атомов в сверхсилыюм лазерном поле, описывающая (в течение оптического периода) как подбарьерное туннелирование электрона, так и его надбарьерное прохождение. Показано, что эффект Штарка в сильном лазерном поле может приводить к локальному уменьшению скорости ионизации атома при увеличении напряженности внешнего поля, т.е. стабилизации атома относительно процесса туннельной ионизации. Проанализированы эксперименты, в которых возможно наблюдение этого эффекта и оптимизированы условия их проведения. Исследованы особенности энергетических и угловых распределений фотоэлектронов в сверхсильном лазерном поле. Показано, что продольный дрейф электрона вследствие действия магнитной компоненты лазерной волны приводит к рассеянию фотоэлектронов вперед', обнаруженному экспериментально несколько лет назад. В рамках предлагаемого подхода, произведен расчет генерации высоких оптических гармоник атомами в сверхсильном лазерном поле. Обнаружены новые особенности этого процесса, характерные для ССЛП.

Научная и практическая ценность работы

Научная ценность работы определяется развитыми в ней представлениями о механизме взаимодействия атомов с ССЛП. Особенности сверхсильного поля позволили построить полуклассическую

" Под углом, меньшим 90 к волновому вектору излучения.

модель такого взаимодействия, допускающую наглядную физическую интерпретацию. Практическая же значимость работы определяется тем, что в ходе численных расчетов проанализированы условия, при которых возможно экспериментальное наблюдение новых эффектов, предсказанных в рамках предлагаемой модели. Кроме того, показана возможность генерации когерентного рентгеновского излучения с длиной волны порядка 1 нм при взаимодействии атомов со сверхсильным лазерным полем.

Защищаемые положения

1. Модель, описывающая в рамках единого подхода как подбарьерную (в относительно слабом поле), так и надбарьерную (в сверхсилъном лазерном поле) туннельную ионизацию атомов.

2. Эффект стабилизации атомов в сверхсилъном лазерном поле относительно процесса туннельной ионизации и описание экспериментов по возможному наблюдению этого эффекта.

3. Полуклассическая теория взаимодействия атомов со сверхсильным лазерным полем (перерассеяние фотоэлектронов в континууме и генерация высоких оптических, гармоник), позволяющая рассматривать излучение накачки с большими интенсивностями, включая релятивистские.

4. Особенности процессов иерерассеяния и рекомбинации фотоэлектронов в сверхсилъном лазерном поле, в том числе спектральные особенности генерируемого атомами когерентного коротковолнового излучения.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на

Международной конференции "Оптика лазеров'93" (Россия, Санкт-Петербург, 1993); SPIE's 1993 International Symposium on Holography, Microstructures and Laser Technology (Canada, Quebec, 1993); Международной конференции студентов и аспирантов "Ленинские горы'95" (Россия, Москва, 1995); 15-th International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (Россия, Санкт-Петербург, 1995); Международной конференции студентов и аспирантов "Ломоносов'96" (Россия, Москва, 1996); Quantum Electronics and Laser Science Conference (USA, CA, Anaheim, 1996); Международной конференции "LPHYS'96" (Россия, Москва, 1996); 7-th International Conference on Multiphoton Processes (Germany, Garmisch-Partenkirchen, 1996), XV конференции "Фундаментальная атомная спектроскопия" (Россия, Звенигород, 1996).

Публикации

. Основные результаты диссертационной работы изложены в 13 печатных работах, перечень которых приведен в конце автореферата.

Похожие диссертации на Теория надпороговой ионизации атомов в туннельном режиме и генерация коротковолнового излучения

Волноводные ВЧ СО2 лазеры с управляемой частотой излучения в непрерывном и импульсно-периодическом режимах генерацииГерасимчук, Александр Георгиевич

Нелинейные режимы генерации акустических волн при межзонном поглощении лазерного излучения в полупроводникахТеленков, Сергей Алексеевич

Динамика генерации излучения в полупроводниковых инжекционных лазерахАфоненко, Александр Анатольевич

Процессы нелинейного усиления и генерации излучения в многоуровневых, неоднородных и движущихся средах газовых лазеровОдинцов, Анатолий Иванович

Особенности распространения и генерации лазерного излучения в многосердцевинных волоконных световодахЛобач, Иван Александрович

Генерация терагерцового излучения двумя фемтосекундными лазерными импульсами с различными частотами в условиях оптического пробоя газовых средБородин, Александр Валерьевич

Управление спекльным составом излучения и генерация коротких импульсов методами внутрирезонаторной интерферометрииОхотников, Олег Геннадьевич

Резонансные и параметрические явления в задачах генерации лазерного излученияРадина Татьяна Владимировна

Эффективная генерация одномодового излучения с помощью неустойчивого резонатора с полупрозрачным однородным выходным зеркаломМихеев, Павел Анатольевич

Генерация узкополосного излучения в системе с кольцевым монолитным Nd: YAG лазером и слэб-усилителемЛаптев, Георгий Дмитриевич