超快光學(xué)團(tuán)隊在強(qiáng)場物理領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
隨著超強(qiáng)超快激光脈沖技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，光與原子分子的相互作用研究進(jìn)入全新的非線性、非微擾區(qū)域，呈現(xiàn)出許多新奇的物理現(xiàn)象，例如高次諧波的產(chǎn)生、高階閾上電離、非次序雙電離及受挫雙電離等。這些現(xiàn)象可以用Corkum提出的三步再碰撞模型解釋。在該模型中，當(dāng)激光電場與束縛庫侖場相當(dāng)時，電子首先通過隧穿從原子或分子中發(fā)射出來，這些電子在振蕩的激光電場作用下加速并返回與母離子核重新結(jié)合釋放高能光子，或與母離子核發(fā)生彈性或非彈性碰撞，導(dǎo)致高階閾上電離或非次序雙電離。這些嶄新的物理現(xiàn)象有著極為廣闊的應(yīng)用前景，例如極紫外阿秒光源的產(chǎn)生、分子結(jié)構(gòu)及其微觀動力學(xué)超快成像技術(shù)等。
一、高次諧波
通常，產(chǎn)生橢圓偏振極紫外光脈沖的方法主要是利用雙色或多色激光場調(diào)控電子的運(yùn)動軌跡，但通常只能獲得在頻域上偏振旋向交替出現(xiàn)的高次諧波，很難在時域上合成具有大橢偏率的極紫外光。近日，我院超快光學(xué)團(tuán)隊翟春洋博士提出了利用氬原子與氮分子輻射高次諧波的干涉效應(yīng)，通過選擇性增強(qiáng)或減弱某一旋向成分的高次諧波，在寬頻譜范圍內(nèi)獲得了具有相同旋向的橢圓偏振高次諧波，在時域上合成了橢偏率為0.81，脈沖寬度為300阿秒（1阿秒=10-18秒）的橢圓偏振極紫外光脈沖。該工作以“Generation of elliptically polarized attosecond pulses in mixed gases”為題在美國物理學(xué)會（American Physical Society）旗下期刊Physical Review A上發(fā)表。(https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.103.033114)
圖1：飛秒強(qiáng)激光場驅(qū)動介質(zhì)輻射高次諧波，氬原子與氮分子輻射高次諧波之間存在特定的相對相位會發(fā)生穩(wěn)定的干涉現(xiàn)象。
二、受挫雙電離
2008年，T. Nubbemeyer小組實驗上觀測到相當(dāng)一部分中性里德堡態(tài)原子可以穩(wěn)定的存活于強(qiáng)激光場中，隨后發(fā)現(xiàn)這是電子發(fā)生受挫隧穿電離的結(jié)果。由于受挫隧穿電離機(jī)制可以運(yùn)用于中性粒子的加速，其加速度可高達(dá)地球重力加速度的1014倍，同時該機(jī)制又是三步再碰撞模型的補(bǔ)充和完善，有助于深入理解強(qiáng)激光場中原子分子動力學(xué)過程，因此受挫隧穿電離引起國內(nèi)外持續(xù)關(guān)注。其中U. Eichmann小組通過COLTRIMS技術(shù)測量了中性氫原子里德堡態(tài)的能量分布，并結(jié)合半經(jīng)典模型分析表明，在氫分子發(fā)生庫倫爆炸過程后其中一個氫原子俘獲了一個電子從而形成中性激發(fā)氫原子。
對于雙電子原子系統(tǒng)，存在類似于受挫隧穿電離的過程，即激光場結(jié)束后，一個電子脫離原子核的束縛，另外一個電子則被庫侖場束縛，該過程稱為受挫雙電離。先前，S. L. Haan等人已經(jīng)從理論上預(yù)言Ar原子非次序雙電離過程中，有相當(dāng)一部分事件發(fā)生受挫雙電離。最近，X. Xie等人在實驗上證實了受挫雙電離過程。然而，受挫雙電離的神秘面紗即發(fā)生的具體條件還一直未被揭開，鑒于此，我院李盈儐博士和碩士研究生許景焜從理論上深入地研究了線偏振激光下Ar原子受挫雙電離，揭示了受挫雙電離發(fā)生的具體條件，即電子發(fā)射出口的速度與電離時刻的矢勢相匹配，如圖2所示。進(jìn)一步，他們提出操控激光脈沖的波長可以有效調(diào)控受挫雙電離中里德堡態(tài)電子的主量子數(shù)。該工作已在光學(xué)主流期刊Optics Express上發(fā)表。（https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-28-5-7341&id=427878）
圖2：沿激光偏振方向的電離-出口速度（VZ0）與電離時間（t0）的關(guān)系。FDI事件中被俘獲電子（上行）。DI事件中第二個發(fā)射的電子（下行）。激光的波長分別為400 nm（左），800 nm（中）和1200 nm（右）。圖中的紅色虛線曲線顯示矢勢。
以上兩個工作得到了華中科技大學(xué)陸培祥教授團(tuán)隊以及中國工程物理研究院王旭研究員團(tuán)隊的合作與大力支持，同時也得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、青年項目、河南省教育廳重點科研項目及信陽師范學(xué)院南湖青年學(xué)者計劃的資助。
物理電子工程學(xué)院超快光學(xué)團(tuán)隊現(xiàn)有研究人員9人，其中博士4人（2人為高級職稱），碩士研究生5人。先后承擔(dān)國家自然科學(xué)基金項目5項，3項順利結(jié)題，2項在研。近年來在物理學(xué)及光學(xué)國際主流期刊上發(fā)表論文60余篇，授權(quán)發(fā)明專利7項。與華中科技大學(xué)超快光學(xué)團(tuán)隊及中國工程物理研究院強(qiáng)場物理團(tuán)隊等一直保持良好合作關(guān)系。
（翟春洋，李盈儐 供稿）
