椭偏激光驱动的原子次序双电离的计算

童爱红

(湖北第二师范学院 物理与机电工程学院, 武汉 430205)



椭偏激光驱动的原子次序双电离的计算

童爱红

(湖北第二师范学院 物理与机电工程学院, 武汉 430205)

摘要：本文利用海森堡经典模型计算了椭偏激光驱动的原子次序双电离。结果发现，二价离子在偏振平面内的动量分布显示六带结构。向后分析双电离轨迹表明，离子动量分布中的内带和中带起源于双电离电子的反向出射，而外带起源于双电离电子的同向出射。此外，这些带状结构清晰地显示了次序双电离中的亚周期电子出射。

关键词：椭偏激光; 次序双电离; 离子动量分布; 亚周期电子出射

1引言

双电离是强场-原子相互作用中最基础和最重要的过程之一。一般，双电离可以通过两种不同形式发生：非次序双电离(NSDI)[1-3]和次序双电离(SDI)[4-5]。在非次序双电离中，第二个电子利用第一个电子的返回碰撞发生电离[6]。因为返回碰撞，两个电子在非次序双电离中存在强烈相关性。在过去的二十几年中，非次序双电离被实验和理论广泛研究。在次序双电离中，两个电子在电场作用下有序地电离。由于次序双电离过程相对简单，次序双电离在过去二十年间受到的关注较少。然而，椭偏激光场驱动的次序双电离可以提供许多在非次序双电离中无法获得的电离信息。比如，通过测量椭偏激光驱动的次序双电离的离子动量谱，人们观测了两个电子出射时的有序性[4]。近年来，椭偏激光驱动的次序双电离受到越来越多的关注。

本文中利用海森堡经典模型计算了椭偏激光驱动的Ar原子次序双电离。我们的计算表明，二价离子动量分布显示带状结构，包含两个内带、两个中带和两个外带。通过分析两个电子的电离时间分布，既显示了第二个电子的亚周期出射，也解释了离子动量分布中的带状结构。其中，离子动量分布中的内带和中带起源于电子对的反向出射，而外带起源于电子对的同向出射。

2海森堡势经典系型

在海森堡势经典模型[7-9]中，双电子系统的哈密顿量为(除特别说明，全文采用原子单位)

(1)

(2)

(3)

一旦获得初始分布，便开始开启激光脉冲。在我们的计算中，激光强度为 6.0PW/cm2, 波长为 1200nm, 椭偏率为0.75，周期数N=10。双电子系统的运行由如下方程组决定:

(4)

当激光脉冲结束后，我们统计双电离产量。当电子的末态能量大于0时，我们定义为电子电离。当两个电子的能量在脉冲结束时都大于0，定义为双电离。对于我们采用的激光参数，几乎所有的双电离都是次序双电离，因为在大椭偏率激光中，重碰撞几乎被完全阻止。

3结果与讨论

图1　Ar原子次序双电离中二价Ar离子在偏振平面内的动量分布，其中px,ion,py,ion分别表示二价Ar离子沿椭偏光主轴轴)方向和负轴轴)方向的动量。

图2　Ar原子次序双电离中二价Ar离子沿椭偏激光主轴轴)和负轴轴)方向的离子动量分布。激光参数与图1相同。

为了分析Ar原子次序双电离中二价Ar离子动量分布的物理起源，我们利用向后分析双电离轨迹获得两个电子的电离时间。单电离时间定义为第一个电子能量首次大于0的时刻，双电离时间定义为两个电子能量同时大于0的时刻。电子能量包含动能、核与电子间势能和半电子-电子势能和海森堡势。图3 (a)和(b)分别给出了Ar原子单电离时间(ti1)和双电离时间(ti2)的分布，其中灰线表示椭偏场总场强随时间的分布。图3(c)给出了双电离与单电离之间时间延迟的分布，图中灰色虚线代表大小为半周期奇数倍的延迟时间。从图3 (a)和(b)可以看出，单电离时间分布有一个峰值，而双电离时间分布有多个峰值，表明单电离在一个半周期内完成，而双电离在多个半周期内完成，显示了第二个电子的亚半周期出射。由图3 (c)知，双电离与单电离之间的延迟时间主要分布在半周期整数倍附近。

图3　(a)单电离时间(ti1)分布，(b)双电离时间(ti2)分布，(c)单电离双电离之间的时间延迟(ti2-ti1)分布。(a)、(b)中灰线表示椭偏场总场强随时间的分布，(c)中的灰色虚线表示大小为半周期整数倍的时间延迟。

在次序双电离中，当两个电子电离之间的时间延迟为周期的整数倍时，两个电子沿同方向出射；当两个电子电离之间的时间延迟为半周期的奇数倍时，两个电子沿反方向出射。由于离子动量是两个电子动量之和的负值，所以两个电子同向出射时，离子动量较大；两个电子反向出射时，离子动量较小。因此，在图3(c)中，延迟时间为一个周期的双电离事件，对应图1中的两个外带B2和图2(b)中的两个p2峰；延迟时间为半个周期的双电离事件，两个电子沿反方向出射，且两个电子动量大小相当，因此离子动量很小，对应图1中的两个内带B1和图2(b)中的两个p1峰；延迟时间为二分之三周期的双电离事件，两个电子也沿反方向出射，由于两个电子电离时电场幅值差别较大，两个电子动量大小差别较大，因此离子动量较大，对应图1中的两个中间带B3和图2(b)中的两个p3峰。

4结论

本文利用海森堡势经典模型计算了椭偏激光驱动的Ar原子次序双电离。结果发现，第一个电子在半个周期内电离，而第二个电子在多个半周期内电离，显示了第二个电子的亚周期出射。由于这种电离特征，二价Ar离子在偏振平面内的动量分布呈六带结构，其中两个外带起源于两个电子的同向出射，而两个内带和两个中带起源于两个电子的反向出射。

参考文献：

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Calculation of Sequential Double Ionization by Elliptically Polarized Laser Pulses

TONG Ai-hong

(School of Physics and Mechanical & Electrical Engineering,Hubei University of Education, Wuhan 430205, China)

Abstract:Using the classic Hisenberg model, this paper calculates sequential double ionization of Ar atoms driven by elliptically polarized laser pulses. The results tell that the momentum distribution of the doubly charged ion in the polarization plane shows a six bands structure. Back analysis of double ionization trajectories indicates that the two inner bands and two medium bands originate from double ionization events where two electrons emitted in different directions, and that the two out bands originate from double ionization events where two electrons emitted in the same direction. Moreover, these band structures clearly show subcycle electron emission in sequential double ionization.

Key words:elliptically polarized laser pulse; sequential double ionization; ion momentum distribution; subcycle electron emission

收稿日期：2015-12-02

基金项目：国家自然科学基金青年项目(11404105)

作者简介：童爱红(1979-)，女，湖北黄冈人，副教授，博士，研究方向为强场与物质相互作用。

中图分类号：O561.4

文献标识码：A

文章编号：1674-344X(2016)02-0001-03