原子分子在强激光场中的电离机制

马文超 王晓楠

辽宁师范大学，辽宁 大连 116000

原子分子在强激光场中的电离机制

马文超 王晓楠

辽宁师范大学，辽宁 大连 116000

由于超强超短脉冲激光技术的不断发展以及获取超短超强和高功率激光脉冲的能力上取得了重大进步，使得原子分子在强激光场下的电离和解离机制成为原子分子物理中的研究热点，随着激光场强度的增加，原子分子的电离机制分为多光子电离、阈上电离、场致电离和多电子电离。

强激光场；电离机制；原子分子

自激光器问世以来，激光与物质之间的相互作用就一直是人们研究的热点。随着激光技术的不断发展，在获取超短超强和高功率激光脉冲的能力上取得了重大进步。激光脉宽不断缩短，科学家已经在实验室产生了脉宽在阿秒量级（10-17～10-18s）的超短激光脉冲。随着激光脉冲宽度达到原子分子内部振动乃至电子的运动周期，脉冲强度达到乃至超过原子分子内部电场强度，人们对原子分子物理的研究进入了崭新的阶段。而原子分子作为物质的基本单元，研究其在强激光场中的电离机制也变得极为重要。

强激光场是指强度在1012～1017W/cm2之间的激光场。原子分子在强场中的电离机制，可以随着光强、脉冲宽度和频率的不同，分为多光子电离、阈上电离、场致电离。

在强激光场下，原子或分子同时吸收两个或者两个以上的光子后失去电子成为离子的过程，称为多光子电离。多光子电离一般发生在光场强度低，频率较高的激光场中，如图1（a），在激光强度较低的情况下，利用低阶含时微扰理论，可以得到n个光子的电离概率的表达式为：，其中为n个光子电离时的吸收截面，的值是随着n的增加急剧减小的。所以，多光子电离时所需要的光子数越多，电离的概率就越小。光场强度I越强，电离概率就越大。

阈上电离是指原子或分子在强光场中吸收的光子数n+s大于电离所需要的光子数n而发生的电离过程。其中多吸收的s个光子将转化为出射电子的平动能，如图1（b）。用微扰理论讨论阈上电离，出射光电子的能量可以由Einstein光电效应方程计算出：，其中就是平均动能，n为电离所需最少光子数，s为多吸收的光子数，是激光的角频率，为电离n个光子所需要的电离能。发生阈上电离现象的原因是强大的激光场使原子或分子所在的库仑场发生某种变形，使吸收完光子后本应该被电离的电子还处在受库仑场约束的状态下，继续吸收更多的光子，直到能量可以挣脱库仑场。

场致电离可以分为隧穿电离和势垒抑制电离。隧穿电离就是在强光、低频率情况下，高强度的外电场把库仑场扭曲，这种扭曲使在激光的偏振方向上形成一个势垒，被束缚的电子越过势垒发生电离，如图1（c）。势垒抑制电离是在隧穿电离基础上将光强继续增加，高强度的外电场继续扭曲库仑场，最终是库仑场的势垒高度越来越低，直到势垒的高度小到不能再束缚电子，电子就越过势垒，逃离库仑场变成自由电子，如图 1(d)。这里区别这几种电离有一个重要的量，即。为了判断出原子或分子在强场下的电离方式，Keldys定义出表达式：，当时发生的是隧穿电离，时发生的是势垒抑制电离，时发生的是多光子电离。

随着强激光甚至超强激光的输出成为可能，为我们研究光与物质的相互作用提供更强有力的武器，也有新的领域正在慢慢扩展，这些正在进展的领域将来不仅仅为我们提供物质本身的性质，还会为改变物质本身的性质提供必要手段。

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