WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

В развитой полностью квантовой теории волновые функции стационарных состояний системы и матричные элементы перехода вычисляются без использования теории возмущений. В качестве одного из приложений данной теории аналитически исследуется процесс ионизации простейшей модельной атомной системы. В работе получены соответствующие аналитические выражения для спектров фотоэлектронов и скорости ионизации. Решение полностью квантовой задачи показало, что скорость ионизации и функция спектра фотоэлектронов определяются двумя безразмерными параметрами. Во-первых, - квантовым пондеромоторным параметром равным отношению пондеромоторной энергии электрона к энергии фотона и, во-вторых, параметром, где - энергия уровня атома (связанного состояния). Приведены соотношения, обобщающие известные результаты для однофотонного фотоэффекта и многофотонного предела теории Келдыша [1], а также новые соотношения, обладающие особенностями, связанными с квантовым описанием электромагнитного поля. Причем найденные выражения для вероятности ионизации в единицу времени могут быть применены для исследования процессов ионизации атомов в неклассических электромагнитных полях. Получено выражение для спектра фотоэлектронов при произвольном начальном и конечном состояниях поля.

Рис. 1. Характерная теоретически полученная зависимость числа фотоэлектронов от числа поглощенных фотонов при надпороговой ионизации атома. Провал при числе поглощенных фотонов, равном 4, соответствует деструктивной интерференции квантовых амплитуд перехода.

Обнаружен и исследован эффект интерференции квантовых амплитуд перехода атома из основного состояния в состояния непрерывного спектра, который приводит к существенному изменению спектра фотоэлектронов. В частности показано, что данный эффект может приводить к появлению в спектре фотоэлектронов провала, соответствующего определенному числу поглощенных фотонов (см. рис. 1). Этот новый результат представляет как фундаментальный интерес, так и может быть использован для диагностических целей.

Во второй главе исследуются квантовые интерференционные эффекты при ионизации двухядерных молекул фемтосекундным лазерным импульсом. Главным объектом исследования в данной главе являлись процессы генерации высоких гармоник оптического излучения при ионизации молекулы ультракоротким (фемтосекундным) лазерным импульсом (с интенсивностью 1014–1015 Вт/см2) и возможности их использования для МДИ. В данной главе разработан полуклассический подход, позволяющий учесть движение ядер молекулы при ее ионизации в лазерном поле. Он позволяет адекватно описать молекулярную систему, решая уравнение Шредингера для легкого электрона и классические уравнения динамики для тяжелых ядер (в дальнейшем обезразмеривание проведено на атомные единицы):

, (3)

где ; - потенциал ядер молекулы. Здесь - координата электрона, и - зафиксированные положения ядер, - электрическое поле лазерного импульса.

При этом, в простейшем случае одноэлектронной молекулы, в уравнения для ядер входит поле этих ядер, поле лазерного импульса и поле нелокализованного электрона.

(4)

где M – масса ядер.

В рамках данного полуклассического подхода изучено влияние движения ядер на динамику процессов ионизации и генерации гармоник при взаимодействии молекулярного иона водорода H2+ с сильным электрическим полем лазерного импульса. Показано, что генерация гармоник наиболее эффективна на временном интервале, когда в процессе диссоциации значения межъядерных расстояний становятся оптимальными для ионизации системы (эффект усиленной ионизации [5]). Анализ зависимости молекулярной динамики от начальной ориентации оси молекулы к направлению поля лазерного импульса показал, что в рассмотренных условиях наиболее существенную роль ядерная динамика играет в молекулах, выстроенных вдоль поля. В данной главе исследована также электронно-ядерная динамика молекул в сильном поле в зависимости от масс ядер и получено существенное различие в спектрах высоких гармоник легких и тяжелых молекул. Изучены зависимости вызванных движением ядер изменений в спектрах гармоник от длительности лазерного импульса. Для различных длительностей импульса найдены условия на массы ядер, при которых в спектрах гармоник начинают наблюдаться интерференционные структуры, служащие источником информации при динамическом имиджинге (см. рис. 2).

Рис. 2. Карта изолиний спектральной плотности излучения гармоник. По горизонтальной оси отложен номер гармоники, по вертикальной – отношение массы ядра двухъядерной молекулы (оба ядра имеют одинаковую массу) к массе протона, а цветом указана интенсивность соответствующей гармоники (более светлый оттенок соответствует большей интенсивности). Начальный угол ориентации молекулы по отношению к электрическому полю лазерного импульса равен 45 градусам. Представлен результат численного расчета для случая трапецеидального 27-фемтосекундного лазерного импульса линейной поляризации (10 периодов поля на длине волны 800 нм с 3 периодами линейного роста, четырьмя периодами постоянной амплитуды, соответствующей интенсивности 51014 Вт см–2, и 3 периодами линейного убывания).

Из данного рисунка видно, что провал в спектре генерации высоких гармоник, который в приближении неподвижных ядер должен наблюдаться в районе 29-й гармоники, отчетливо различим только для масс ядер, больших или равных 14 mp (mp – масса протона).

В данной главе также предложен подход позволяющий извлекать высокоточную информацию о молекулярных параметрах из положений провалов в спектре высоких гармоник. Кроме этого предложен подход, позволяющий измерять параметры легких двухъядерных молекул с временным разрешением, существенно меньшим, чем длительность зондирующего лазерного импульса.

В данной главе также показано, что ориентация оси легких молекул к направлению поля может существенно влиять на временной профиль сигнала высоких гармоник оптического излучения. Так, при взаимодействии продольно ориентированной молекулы с фемтосекундным лазерным импульсом достаточно высокой интенсивности быстрая ионизация и диссоциация молекулы могут приводить к генерации почти одиночного аттосекундного импульса, в то время как при перпендикулярной ориентации происходит генерация длинной цепочки аттосекундных импульсов. Тем самым продемонстрирована возможность осуществления аттосекундного контроля в легких молекулах, что может иметь большое значение для приложений, в том числе аттосекундной метрологии. Важным результатом является то, что предложенный новый метод, основанный на использовании движения ядер при ионизации продольно ориентированной двухядерной молекулы, позволяет осуществлять генерацию квазиодиночного аттосекундного импульса при воздействии достаточно длинным фемтосекундным лазерным импульсом накачки.

В третьей главе исследуются возможности получения высокоточной информации о структуре молекулы из разрешенных по углам энергетических спектров электронов при надпороговой ионизации. Молекулярный динамический имиджинг с использованием квантовых интерференционных эффектов при перерассеянии электронов на ядрах собственной молекулы при ее ионизации является очень привлекательным, поскольку комбинирует в себе преимущества как традиционной техники имиджинга, такой как дифракция, так и измерений с временным разрешением, определенным длительностью фемтосекундного лазерного импульса [7]. Более того, использование дополнительных возможностей, рассмотренных во второй и третьей главах, позволяет проводить измерения с аттосекундным временным разрешением и субнанометровым пространственным разрешением.

В данной главе развита полуклассическая модель, описывающая интерференцию электронов, рассеянных на ядрах, с учетом влияния кулоновского поля ядер на движение электронов. Получено аналитическое выражение для положения интерференционных минимумов на разрешенных по углам энергетических спектрах перерассеянных электронов в зависимости от параметров задачи. Построена схема численных экспериментов для получения угловых и энергетических распределений рассеянных электронов при ионизации молекулы лазерным импульсом (рис. 3).

Рис. 3. Разрешенные по углам энергетические спектры перерассеянных электронов (энергия рассеянных электронов от угла рассеяния, более темный цвет соответствует большему числу электронов), сверху теоретический результат, снизу численные расчеты. Расчеты проведены для двухядерной молекулы (межъядерное расстояние равно 2.62 атомных единиц) ориентированной перпендикулярно к направлению электрического поля 27 фемтосекундного лазерного импульса интенсивностью 51014 Вт см–2.

Анализ результатов показал, что предложенная полуклассическая модель, учитывающая влияние кулоновского поля ядер, с высокой точностью (относительная погрешность не превышает нескольких процентов) описывает положение интерференционных минимумов, что дает возможность получения высокоточной информации о параметрах молекулы при МДИ. Данный подход существенно лучше объясняет положение интерференционных минимумов, чем предложенная ранее простая полуклассическая модель упругого перерассеяния для потенциала нулевого радиуса [8] (см. рис. 4.)

Рис. 4. Угловое положение интерференционных минимумов в зависимости от расстояния между ядрами двухъядерной молекулы; тонкая линия – результат простой модели для рассеяния на потенциале нулевого радиуса [8], жирная линия – результат предлагаемой в данной главе модели, учитывающей кулоновские эффекты; точками отмечены результаты численного расчета. Расчеты проведены для двухядерной молекулы ориентированной перпендикулярно к направлению электрического поля 27 фемтосекундного лазерного импульса интенсивностью 51014 Вт см–2.

Также исследовано влияние движения ядер молекулы на разрешенные по углам энергетические спектры перерассеяных электронов с использованием полуклассического подхода, учитывающего динамику ядер при ионизации молекулы. Предложенный в работе полуклассический подход учитывает совместную электронно-ядерную динамику и поэтому, во-первых, позволяет ответить на вопрос об ограничениях при МДИ легких молекул, а во-вторых, позволяет извлекать информацию о структуре молекулы с временной погрешностью, существенно меньшей, чем длительность зондирующего лазерного импульса.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Аналитически решена задача о взаимодействии электрона с квантованным электромагнитным полем путем перехода к описанию системы в рамках «одетого полем» электрона и «одетых электроном» фотонов. Найден матричный элемент перехода из произвольного начального состояния электрона в атоме в произвольное конечное состояние квантовой системы «электрон + поле».

2. Получены и проанализированы спектры фотоэлектронов при различных параметрах задачи о надпороговой ионизации атома. Предсказан эффект деструктивной интерференции квантовых амплитуд перехода при ионизации атома квантованным электромагнитным полем.

3. С помощью полуклассического подхода показано, что вращение и диссоциация молекул приводят к подавлению двухцентровых интерференционных структур в спектрах высоких гармоник легких молекул. Найдены условия (масса ядер, длительность лазерного импульса), при которых осуществим интерференционный метод динамического имиджинга. Показано, что для извлечения высокоточной информации о геометрических параметрах молекулы необходимо использование различных соотношений между энергией фотона, соответствующей деструктивной интерференции, и длиной волны де Бройля зондирующего электрона, в зависимости от ориентации молекулы и параметров лазерного импульса.

4. Показано, что ориентация оси легких молекул относительно направления поля может существенно влиять на длительность последовательности генерируемых аттосекундных импульсов. Показана возможность генерации квазиодиночных аттосекундных импульсов с использованием движения ядер при усиленной ионизации продольно выстроенных двухядерных молекул с легкими ядрами длинным фемтосекундным лазерным импульсом.

5. Развита полуклассическая теория, описывающая интерференционные структуры при дифракции электрона, рассеянного на ядрах собственной молекулы, при ее ионизации с учетом влияния кулоновского поля этих ядер. Данный подход позволяет находить поправки, существенно уточняющие положения интерференционных минимумов для произвольного потенциала молекулы.

6. На основе численной модели, учитывающей движение ядер легкой двухатомной молекулы при ее ионизации линейно поляризованным фемтосекундным лазерным импульсом, получены и проанализированы разрешенные по углам энергетические спектры перерассеянных электронов. Продемонстрировано, что данные спектры имеют достаточный контраст и разрешение для извлечения из них высокоточной информации о геометрических параметрах молекулы, таких как межъядерное расстояние и ориентация оси молекулы к направлению электрического поля линейно поляризованного лазерного импульса.

7. Показана возможность выделения отдельных событий в спектрах генерации высоких гармоник оптического излучения и в разрешенных по углам энергетических спектрах при ионизации двухядерной молекулы с легкими ядрами коротким фемтосекундным лазерным импульсом интенсивностью 1014–1015 Вт/см2. Предложенный подход позволяет извлекать информацию о структуре молекулы с временной погрешностью, существенно меньшей, чем длительность зондирующего лазерного импульса.

Цитируемая литература

1. Келдыш Л. В., ЖЭТФ. 1964. 47, 1945

2. Попов В. С., УФН. 2004. Т. 174. № 9, 921; Делоне Н. Б., Крайнов В. П., Нелинейная ионизация атомов лазерным излучением. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001

3. Мандель Л., Вольф Э.. Оптическая когерентность и квантовая оптика. М.: Наука, 2000

4. Mershede M. and Walter H., Phys. Rev. Lett. 1995. 54, 551;

Г. Вальтер Г., УФН. 1996. 166, 777

5. Seideman T.,  Ivanov M.Y., and Corkum P.B., Phys. Rev. Lett. 1995. 75, 2819

6. Lein M., Hay N., Velotta R., Marangos J. P. and Knight P. L. Phys. Rev. Lett. 2002. 88, 183903; Lein M., Hay N., Velotta R., Marangos J. P. and Knight P. L., Phys. Rev. A. 2002. 66, 051404R

7. Lein M., J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 2007. 40. R135–R173

8. Lein M., Marangos J. P. and Knight P. L. Phys. Rev. A. 2002. 66. 051404

Основные материалы диссертации опубликованы в работах:

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»