Электрон в сильном неоднородном световом поле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

/ МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНЖЕНЕРНО-<ШШЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

РГГ) од

я П ДОГ 1353

• На правах рукописи

ГОРЕСЛАВСКИЙ Сергей Павлович ЭЛЕКТРОН В СИЛЬНОМ.НЕОДНОРОДНОМ СВЕТОВОМ ПОЛЕ

01.04.02 - теоретическая физика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Автор:

Москва-1993

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени инженерно-физическом институте. Официальные оппоненты: - доктор физико-математических наук,

профессор ЗАРЕЦКИЯ Д.Ф.

- доктор физико-математических наук, профессор МАНАКОВ Н.Л.

- доктор физико-математических наук, Федоров М.В.

Ведущая.организация: Московский физико-технический институт. • '

Защита состоится " 22 " сеитя^пя 1993г. в 15.00чаоов на заседании специализированного совета Д-053.03.01 в Московском инкенерно-физическом институте по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, д.31, тел.324-84-98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ШШ.

Автореферат разослан " 3 " сь&т^ ' 1993г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь специализированного совета доктор физико-математических наук, профессор

Подписано в печать (А- '„>

Типография Щ.Ш, Каширское п., 31

в.п.яковга

Заказ /У6 У Тираж ЮО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСШКА РАБОТЫ

' Актуальность теш. В минувшее десятилетие исследования взаимдейс'твия мощного когерентного электромагнитного излучения с веществом охватили диапазон интенсивностей 10*2-10*9 Вт/см. Вблизи верхней границы;напряженность поля больше атомной, скорость колеблющегося электрона вблизка к скорости света, а классический параметр интенсивности et/(мае) достигает значений превышающих единицу. Сейчас обсуждаются реальные про-

р т

екты получения интенсивности 10 Вт/см.

Изучение взаимодействия с атомарной мишеньв привело к открытию ряда качественно новых элементарных нелинейно-оптических явлений: надпороговой и многоэлектронной ионизации, генерации высоких.(до 133-ей) гармоник оптического излучения. В столкновениях электронных и оветовых пучков наблюдалось отражение свободных нерелятивистских электронов от светового фокуса. На линейной ускорителе в Стенсборде (SLAS) в стадии проектирования находится эксперимент по проверке нелинейных эффектов квантовой электродиначики в столкновениях пучков ультрарелятивистских эйектронов с фокусированными лазерными импульсами.

Увеличение интенсивности лазерного излучения естественным-образом сопровождалось переходом.к коротким импульсам субпико-секундной длительности и использованием максимально жесткой Фокусировки вплоть до дифракционного, предела.. Существенная особенность динамики электрона в сильном, неоднородном, нестационарном световом поле связана с тем, что такое поле не только вызывает колебания, но и влияет на поступательное движение. Влияние проявлется в том, что не остается постоянным средний 4-импульс электрона или, другими словами, имеет место пондеро-

моторное рассеяние.

Расчет движения электрона в сильном, фокусированном, импульсном световом поле является центральной задачей в случае столкновения электронных и лазерных пучков. Если электрон взаимодействует еще и с атомом, то указанный расчет входит как необходимая составная часть проблемы, так как динамические характеристики, возникшие сразу после взаимодействия с атомом, на пути к детектору изменяются из-за пондеромоторного рассеяния.

Вопросы, связанные с динамикой электрона в световом поле и, в частности, с покцеромоторным рассеянием, важны не только для изучения упомянутых выше фундаментальных закономерностей, но и для ряда поисковых прикладных направлений, к которым можно отнести создание лазера на свободных электронах, лазерное ускорение, трансформация оптических частот в область далекого ультрафиолета, исследование свойств неравновесной плазмы, создаваемой фемтосекундными лазерными импульсами.

Таким образом теоретическое исследование динамики электрона и наблюдаемых спектров, угловых распределений различных кваи-товоэлектродинамических процессов в сильном, неоднородном, нестационарном лазерном поле представляется актуальным и имеет как общефизическое, так и прикладное значение. .

Цель диссертации: разработать теорию эффектов классической и квантовой электродинамики в сильном, неоднородном, нестационарном лазерном поле.

Научная новизна. В диссертации развито теоретическое описание квантовоэлектродинамическях процессов в сильном, неоднородном, нестационарном световом поле. В работе впервые получены следующие результаты.

' Сформулирована полуфеномэнологическая теория элементарного акта надпороговой ионизации в слабом поле, опиравшаяся на квазиклассический Характер атомных состояний- вблизи границы непрерывного спектра и полюсное приближение для многофотонного матричного элемента. В рамках этой теории показано, что причиной по-язленпя надпороговых электронов при напряженности поля значительно меньше атомной, явлда^ величина ди-польных матричных элементов свободно-свободных переходов ме яаду . квазиклассичёскимя состояниями,: /отстоящими наэнергию' оптического фотона. Найдено критическое поле, определяптпее порог возникновения дополнительных пиков в энергетическом спектре фотоэлектронов.

' Получена приближенные. квазиклассические выражения диполь: шх матричных элементов ' /и:; парциальных вероятностей переходов с . болтлглк изглененяем глазного квантового числа. Вместе с ранее из-, вестныет результата®!, основанными на.принципе соответствия, совокупность ферул с •перекрывзюаямжея областями прженитестя опи-: сывает,все возможные .'типы переходов вблизи границы контииуума. Попутно найдено нов'ое асимптотическое разложение поликсмоя Якоби с тремя больоимя параметрами.

!,!етод. усреднения применен для решения уравнения 1\ред:тгерп . в полз стационарного фокусированного луча. 3 отличие от нерэля-■тивистских;вслк0вских состояний волновые функции в неоднородном поле описывают не только колебания, но и изменение среднего импульса электрона, обусловленное повдеромоторным рассеянием.

Выполнен полностью квантовый, без привлечения двухступенчатой модели, расчет ионизации в неоднородном поле. В многофотонном и туннельном пределах получен надпороговый спектр при

ионизации из короткодействующих потенциальных ям, распределенных по лазерному фокусу.

Построена теория вынужденного тормозного поглощения и излучения при столкновении светового и электронного пучков в газообразной мишени. Теория учитывает, что до и после взаимодействия с атомом электрон рассеивается пондеромоторным потенциалом.

Проведены расчеты пондеромоторного уширения надпороговых пиков в длинных и коротких лазерных импульсах.-

Метод усреднения распространен на релятивистское .движение в суперсильных полях. Получены уравнения усреднённого движения, применише при релятивистских интенсивностях, когда энергия взаимодействия с полем сравнима или,превышает массу покоя электрона. ''"'/■'"'"■'■ - .У":' ■-'

Установлена область применимости решений в поле плоской волны и рассчитанных с ними сечений, спектров и т.д. для описания процессов в поле мошного фокусированного лазерного импульса. Показано, что процедура адиабатического выключения сильного неоднородного светового поля, воойге говоря, не применима. .

Выполнены оценки рассеяния релятивистских электронов фокусированными лазерными импульсами релятивистской интенсивности' при различной длительности и геометрии столкновения.

Построена теория нелинейного' спонтанного излучения, возникающего при столкновении ультрарелятивистских электронных и фокусированных лазерных пучков. Выяснено, что поядеромоторное рассеяние является эффективным источником ушрения гармоник излучения так, что при релятивистской интенсивности поля спектр становится непрерывным.

Научная и практическая значимость работа. Приближенный метод расчета .движения электрона,основанный на методе усреднения, позволяет установить основные закономерности л особенности , взаимодействия электрона с сильным . неоднородным, нестационарным световым полем. Представленные в' диссертации результаты,относящиеся к нерелятивистским электронам, в согласии о данными многочисленных экспериментов и расчетами других авторов показывают,' что для излучения оптического .диапазона с интенсивностью

ТЛ

выше 10 Вт/см пондеромоторное рассеяние вносит существенный вклад в формирование наблюдаемых спектров и угловых распределений фотоионизации, вынужденного тормозного поглощения, спонтанного излучения. Использованные методики и подхода применимы для расчета других процессов; а также в прикладных задачах. Полученные релятивистские уравнения усредненното .движения является надежной теоретической базой для расчета физических процессов и анализа новых экспериментов в суперсильных полях. С теоретической точки зрения представляется важным вывод о неприменимости процедуры выключения поля при определении состояния движения электрона в сильном, неоднородном световом поле.

Основные положения, выносимые на защиту: ■

■ I. Результаты квазиклассических расчетов диполъных атомных переходов с большим изменением главного квантового числа.

2. Полуфеноменологическая теория и критическая интенсивность надпор.оговой ионизации.

3. Квантовая теория движения электрона в неоднородном световом поле, учитывающая пондеромоторное рассеяние, и ее приложения к расчету надпороговой ионизации и вынужденного тормозного эффекта. '

4. Модель пондеромоторного уширения надпорогового спектра.,

5. Релятивистские уравнения усредненного .движения, приме-нише в суперсильных полях.

6. Теория нелинейного спонтанного излучения электрона в \ фокусированном световом поле, учитывающая эффекты пондеромоторного рассеяния.

Апробапия работы. Основные результаты диссертации докладывались на 13-й Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Минск, 1988), 9-й Международной школе по когерентной оптике (Ужгород, 1989),' Международной конференции по лазер-атомной физике в суперсильных полях. (Рочестер, СИ!1., 1989; Монтана, США, 1991), 5-й Международной конференция по многойо-тонным процессам (Париж, Франция, 1990), Всесоюзной конференции по теории атомов и атомных спектров (Минск, 1983), 20-й Школе по ядерной физике им.В.М.Галицкого (Москва,:; 1989); тематических семинарах и межведомственных совещаниях All СССР - "Нелинейная ионизация сложных атомов" (Ужгород, 1983, 1984), "Элементарные процессы в поле лазерного излучения" (Ужгород, 1987; Рига, 1988; Воронеж, 1989; Репино, 1990), "Лазерная резонансная ионизационная спектроскопия",(Новосибирск, 1988* 1991), "Проблемы квантовой оптики" (Дубна, 1988, 1992), "Атомная спектроскопия" (Черноголовка , 1992), научных семинарах МАШ, ИОФ РАН и других организаций.

Структура и объем работы. Диссертация соотоит из_ введения, пяти глав, заключения, двух приложений и списка литературы из 94 источников." Общий объем - 151 ; стр. и включает 12 рисунков и 3 таблицы.

Основные оригинальные результаты отмечены в соответствуй-: щих параграфах и перечислены в заключении диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Кратко излагаются экспериментальные факты, относящиеся к надпороговой ионизации. Явление состоит в том, что в энергетическом спектре наряду с электронами, поглотившими минимальное число фотонов, необходимое для ионизации N ., наблюдавтся электроны с большими энергиями, поглотившие Фотонов.

. Сравниваются альтернативные механизмы поглощения дополнительных фотонов: вынужденное тормозное поглощение я квантовый переход в поле "родительского" иона, индуцируемый ионизушш полем. Выбор делается в пользу второго. В слабых полях .для вычисления вероятностей - Фотонной ионизации применяется' теория возмущений. Имея ввиду трудности, связанные с расчетом многофотонных матричных.элементов, развивается полуфеноменологическая теория, когда /V -фотонные амплитуды не вычисляется и остаются, свободнымипараметрами, через^ которые внражатася амплитуды , (*/*■!>) - фотонных переходов. В этом подходе,, используя еще полюсное приблинение; при суммирования по 'промевуточннм состояниям в - фотонном матричном элементе, удаётся оценить отношениеамплитуд. последовательных пиков надпорогового спектра У1^. Величина ^ опроделяется матричными элементами оператора дипального взаимодействия электрона со световым полем между состояниями континуума,"отстоящими-. на энергию оптического фотона О) « /а.е.. .Энергии этих состояний также порядка О) . ....

Излагаются результаты расчетов дипольйых; матричных : эле- ' ментов переходов между квазиклассичёскими атомными состояниями с большим изменением главного квантового числа. С точки зрения применения к надпороговой ионизации наиболее существенным оказа-

лось предельное, для малых моментов 'выражение

радиального матричного элемента свободно-свободных переходов, с помощью которого находится оценка

рс&е*/*"* (1)

Згот простой результат весьма важен, так как из него следует, что при Ой« 1 надпороговый максимум сравнивается по величине с пороговым при напряженности поля — СО^ которая значительно МЕньше атомной. Таким образом получает теоретическое объяснение экспериментальный-факт наблюдения надпо-ррговых максимумов при низких интенсивностях. Аналогияная (I) оценка ^ следует также из квазяклассическях сечений многофотонной ионизации ридберговских состояний Берсонса И.Я. (1981). Численные расчеты (Каруле Э.М., 1988) и измерения на водороде (Миллер Х.Г. и др., 1986) подтверждают приведенную оценку.

Далее дискутируется обоснованность полюсного приближения и свойства угловых распределений в йадпороговых пиках в пслу-феноменологической модели. . •

Излагается квантовая теория нерелятивистского движения электрона в поле фокусированного светового луча. Теория основана на применении метода усреднения в уравнении Шредингера. Получены волновые функции электрона, описывающие не только колебания в световом поле, но и ускорение пондеромоторным потенциалом. Состояния в виде бегущих волн записываются как УргХрЧр Функция ОСр описывает поступательное движение в пондеро-моторном потенциале

- £*{*) '/4<аА (2)

и в квазиклассическом приближении имеет вид

где р(х)={/р* -3,)' классический импульс, а р -импульс свободного электрона вдали от фокуса.. Периодический (с периодом поля $х/сд ) множитель равен

Из решений в виде бегущих волн строятся состояния, удовлетворяющие '•:граничным условиям, задачирассеяния на пондеромоторном потенциале и условиям квазиклассической сшявки около точек поворота.

Рассмотрение .предельного перехода к однородному.полю в волковских решениях и в состояниях (3,4) показывает, что в случае сильного светового поля процедура адиабатического выключения, вообще говоря, не применима, так как не определяет однозначно ■ величину среднего 4-импульса электрона. Неоднозначность возникает из-за существенного различия-в динамике усредненного движения при взаимодействии электрона с фронтом плоской волны и с пространственной границей фокусированного поля.

Состояния в неоднородном поле применяются для расчета наблюдаемого спектра надпороговой ионизации в поле длинного Фокусированного лазерного импульса. Амплитуда перехода в такое состояние определяет вероятность детектирования свободного электрона с некоторым импульсом р непосредственно, без привлечения двухступенчатой модели у предложенной Мюллером Х.Г. и др., 1983г. Квазиклассический характер поступательного движения В' пондеромоторном потенциале приводит в квантовом расчёте к энер-

(4)

гетическим соотношениям, эквивалентным используемым в двухступенчатой модели.

3 многофотонном и туннельном пределах получен спектр ионизации из короткодействующего потенциала линейно поляризованным фокусированным полем. Ассимметричный максимум спектра приходится на нижний надбарьерный канал с энергией £/г»> У(°). В случае линейной поляризации подавление низкоэнергетических пиков электронного спвктра происходят из-за повышения потенциала ионизации на величину средней.колебательной энергии

U- §У(4cùь) . в однородном поле с интенсивностью равной- ее максимальному значению в центре фокуса наблюдались бы только надбарьерные каналы. Появление низкоэнергетической части спектра в неоднородном поле связано с тем, что каналы закрытые в центре фокуса, остаются открытыми на его периферии, В многофотонном пределе высоты пиков чрезвычайно быстро.убывают для УЬ< tt* . В туннельном режиме, определяемом условием U(o)>> J£i I .напротив, большое число подбарьергах каналов дает вклад, сравнимый по величине с надсЗарьерныш каналами - ширина спектра в сторону ti<n+ в два раза меньше ширины со стороны И>К^. . Найденная форма туннельного спектра сохраняется и в случае ионизации атомов (Крайнов В.П. тт Ристич В.М. , 1992г.) и вполне удовлетворительно согласуется с результатами, измерений ионизации атомов калия излучением COg лазера (КсионгВ., Чин С.Л., 1991). _

Затем описана модель пондеромоторного уширения и.сдвига надпороговых пиков. Сдвиг й уширение возникают потому, что в лазерном импульсе конечной длительности пондеромоторное ускорение не компенсирует полностью уменьшение кинетической энергии, вызванное сдвигом континуума. Вычисления основаны на применении

л 'теории возмущений в классических-уравнениях усредненного движения. В длинных импульсах возмущением является временная, а з коротких- пространственная неоднородность. Найденные значения

■ ширин.и сдвигов и их зависимость от параметров излучения согла-' сутотся с измерениями Пети Г. и др. (1987) и Ишлера Х.Г.(IS88).

На этом основании был сделан вывод, что поядеромрторное рессея-: нив'является основным механизмом уигарения надпороговнх пиков.•.

■ Однако наблюдение тонкой структуры пиков (Фримен P.P. и др., 1987) показало, что существует конкурирующий источник' ушронт-я непосредственно в элементарном акте ионизации, связанный с 'динамическими ре зонансами в промежуточных _состояниях дискретного спектра. Поэтому вопрос о ширине пика в какдам конкреунои-случае требует дополнительного исследования.

Далее на ."примере 6-фотонной ионизации водорода, излучением .

А = 530 нм ( СО= 2,34 эВ) анализируется конкурирующее влия-: нив сдвига границы континуума и насыщения гонлэаща на форшро-вание надпорогового спектра. Предполагается, что вплоть до интенсивности,- когда 6-фотоаный канал оказывается'закрытым-кз-за повышения потенциала ионизациивероятности, всех канатов описываются степенными по интенсивности зависимостями: теории возму-. щений. Оказалось, что подавление порогового канала происходят ' только в импульсах длительностью меньше 50 пс.. Если длитель-.ность импульса удовлетворяет этому условию и пороговый канал -выключается, долено наблюдаться скачкообразное падение ролной скорости ионизации и плато на зависимости выхода ионов от интенсивности.

Вынужденное тормозное поглощение и излучение, наблюдаемое при пересечении светового и электронного пучков в атомарной ми-

шени является еде одним (помимо надпороговой ионизации) примером электрон-атомного взаимодействия в сильном световом поле, где необходимо учитывать пространственно-временную неодиород- ■ ность поля. Сечения в однородном поле впервые были рассчитаны в борновском приближении по взаимодействию с атомом Ф.В.Бунки-ным и М.В.Федоровым (1965) и в квазиклассическом приближении - 1 И.Я.Еерсоном (1981). Из-за малых размеров фокуса и малой длительности лазерных импульсов в детекторе суммируются вклады от рассеяния на атомах при различных напряженностях поля и поэтому с экспериментальными данными:следует сравнивать сечения усред- . ненные по временному. (Бейлин Е.Л., Зон Б. А. V; 1982) и простран- й'. ственному (Даниеле Р. и др. , 1983) распределению светового поля.

В диссертации излагается теория вынужденного тормозного поглощения .'-и излучения, в которой учитывается, что до и после взаимодействия с атомом электрон испытывает яоидеромоторное рассеяние в фокусированном, световом поле. Теория основана на '--; V; применении волновых.;'функодй в неоднородном пале. Наиболее сшгь-но влияние пондеромоторного рассеяния проявляется в тех случаях, когда энергия налетающего, электрона сравнима с высотой пондеро-моторного потенциала барьера.." Основные качественные результаты сводятся к следующему. 'Замедление;электрбнов, влетающих в фокус, приводит к .подавлению каналов излучения и усилению асимметрии 'процессов вынувденного поглощениями излучения. Изменение направления среднего импульса меняет ориентацию электронного потока относительно направления поляризации поля. Нестационарность светового поля приводит к ушрешт электронного спектра.

Сечения нелинейных процессов для электрона в сильном элек-

тромагнитном поле обычно рассчитываются в предположении, что поле представляет собой плоскую монохроматическую волну. В диссертации с помощью теории возмущений по пространственной неоднородности найдены поправки к движению релятивистского электрона в поле квазимонохроматической плоской волны с плавной ко-локолообразной огибающей. Анализ поправок позволил сформулировать условия применимости сечений, рассчитанных в поле плоской волны, для описания процессов в фокусированном лазерном импульсе. Эти же условия определяют применимость стандартной процедуры адиабатического включения поля при решении релятивистских уравнений движения. Б частности для быстрого электрона 'длина лазерного импульса должна быть меньше радиуса фокусировки, или ., эквивалентно, СдгС«к& . Это ограничение весьма существенно, т.к. в эксперименте реализуется обратное соотношение.

Описание физических процессов с участием нерелятивистских электронов в слабых полях существенно облегчалось

тем обстоятельством, что были известны.уравнения усредненного движения (Талонов А.В., Миллер М.А., 1958). Аналогичная теоретическая база для релятивистского движения в неоднородном световом поле ранее отсутствовала. Метод усреднения в релятивистских уравнениях двгаения применялся в комбинации с некоторыми дополнительными упрощающими предположениями.. Т.ая , Т.В.Б.Киббл (1966) считал поле слабым так, что релятивистским

по существу являлось только поступательное движение. М.В.Федоров (1991) использовал приближенную форму релятивистского гамильтониана, притодную в случае, когда продольный импульс'электрона гораздо больше поперечного. В диссертации излагается модификация метода усреднения, приводящая к уравнениям усредненного релятивистского движения, применимым в сильном фоку-

сированном лазерном импульсе. Колебания, по которым производится усреднение, в кулевом приближения по параметрам неоднородности : • совпадают с осцш1лирующей .частью .точного решения, описывающего, электрон со средним импульсом ^ в поло плоской монохроматической волны. Таким, образом уже в нулезом приближения учитывается нелинейный характер колебаний в сальном паче, что и позво- . ляет получить уравнения, применимые при I -В уравяе-

ниях усреднённого'• движения-,учтена такпсе существенная,: на поря-; док по . анизотропия поперечного^ и продольного раз-

меров фокусированного поля. •

Далее в усреднённых уравнениях обсуждается. нерелятавкстский предел п связь с уравнениями Киббла.^'Формулируются начальные'ус-;':.. ловия в задаче о столкновения электрона с ограниченным э прос-/ . транстве-и времени фокусированным лазерным импульсом.. Класскфи-цлрувтся предсль:ыз случаи.при решении усредненных/уравнений.в ;*, зависимости от соотношения параметров временной я пространствен-;; ной неоднородности. ' : • ■':'. ^ V

Уравнения усредненного.движения применяются дая анализа ' рассеяния электронов фокусированным, лазерным импульсом и расче-. ;Г. та спонтанного излучения электрона, пересекающего сильный свето-. вой луч. ; .

Оценки рассеяния.релятивистских электронов лазерным импуль-. , сом с интенсивностью, когда энергия взаимодействия ,с полем превышает энергию покоя выполнены в различных продольных олучаях по пространственно-временной неоднородности и для различной геометрии столкновения. В коротких, слабо фокусированных импульсах аУС «кк в подходе, используем усредненные уравнения, воспроизводятся результаты расчетов в поле плоской волны.

■ ^ Обсуждение излучения электрона в неоднородном световом поле начинается с краткого изложения-результатов, относящихся к ? нерелятивистскому движению в, слабо.»! поле. Отмечается, что по

сравнению с-равномерным пролетом через фокус, полная наученная : энергия надбарьерного электрона возрастает, т.к. торможение : электрона:пондеромоторным потенциалом увеличивает время взаимо, действия с полем. Электроны с -энергией меньше высоты барьера не проникаю? в центральную,.часть фокуса и для нихизлученная энер-.'.:: гия:.уменьшается,Нелинейная зависимость от координат пространственной огибающей поля, ;наряду с релятявзстскями: поправка?-"!! , к колебаниям;' является источником •" возникновения гармотгак излучения. Из-за конечного времени взаимодействия и излучения гармоники испытывают пролетное угакреняе. Згскореяие электрона понде-: - ромотбрным потенциалом .порождает, низкочастотное излучение с час-.■:V тотами,порядка обратного времени пролета через фокус; в однородном поле это излучение отсутствует.

, . Основное внимание при обсуждении, излучения'в неоднородном поле уделено спектрально-угловому распределению излучения в ре-лятивистскйх условиях столкновения электронных пучков к фокуся-рованных лазерных п?.:пульсоз. .'.

Ранее спонтанное комптоновское рассеяние сильной электро--магнитной волны электроном и его классический .(е пренебрежении отдачей) предел изучались рядом авторов в предположении, что ■ сильное поле представляет собой бесконечно протяженную плоскую монохроматически волну. Показано, что спектр классического, излучения в системе, где электрон в среднем покоится, состоит из гармоник сильной волны с номерами р3 Из-за эффекта

.Допплера.частоты гармоник в лабораторной система.зависят от направления излучения .и среднего импульса электрона ^

В монохроматической волне 4-импульс постоянен и в заданном на- • правлении излучается совокупность дискретных частот

где } - средняя скорость, направле-

ние распространения сильной волны.

В диссертации предложен и детально обсуждается механизм эффективного ушрения гармоник излучения в поле фокусированного лазерного импульса. Причина утярения в том, что пондеромоторное рассеяние непрерывно изменяет средний импульс электрона, модулируя частоты гармоник (5). Ширина спектра ¿'-ой гармоники по порядку величины равна максимальной величине полевого (динамического) сдвига -й)5(/>) -(¿¿ф) , где ^ - илпульс свободного электрона, а ^ - средний импульс в лазерном поле, определяемый уравнениями усредненного движения.

Рассчитывается спектрально-угловое распределение энергии, излучаемой релятивистским электроном .пересекающим фокусированный лазерный луч. Классическая траектория в интеграле, опреде-ляшем <5урье-компоне нту тока излучения находится с использованием уравнений усредненного движения в сильном поле. Сам интеграл вычисляется методом перевала.

Прослеживается эволюция спектра излучения при увеличении " интенсивности лазерного поля. Пока £ частоты гармоник порядка Сс^йи*}''1 , а относительная величина уширения. определяется интенсивностью' .

^<1 ч

Ж'2 • <6)

Спектр, излучаемый релятивистским электроном в заданном направлении, состоит из уширенных, но не перекрывающихся гармоник.

Интенсивность излучения-максимальна для основной гармоники. Когда ^ превышает единицу, число существенных гармоник , быстро растет, а контуры соседних гармоник перекрываются. Перекрытие происходит из-за сильного сдвига в красную сторону левой границы -полосы излучения каждой гармоники. Сдвиг границы объясняется замедлением электрона в пондеромоторном потенциале и, соответственно, уменьшением допплеровского свдига. В небольшом диапазоне интенсивностей наблюдается промежуточная структура ' спектра, когда над плавным , высоким фоном еше различимы максимумы, идентифицируемые с вкладами отдельных гармоник. При даль- . нейшем увеличении интенсивности, , в заданном направле-

нии излучается широкая, бесструктурная полоса непрерывного спектра, заключенная медду частотами <яЯХ/2г 11

Внутри этой полосы распределение интенсивности имеет ; ввд пологого, асимметричного максимума.

В Приложении I вынесены вопросы, связанные с вычислением дипольных матричных элементов переходов между квазиклассическими атомными состояниями с большим изменением;главного квантово-. го числа. Выход за рамки принципа соответствия осуществлен вн, числением интеграла с квазиклассическгоиг радиальными функциями • к применением метода перевала в интеграчьном представленииги-пергеометркческой функции в формуле Гордона. Представленные в диссертации результаты вместе с ранее известными выражениями, основанными на .принципе соответствия, образуют систему формул с перекрывающимися областями применимости, которые описывают все возможные типы радиационных переходов между атомными состояниями вблизи границы непрерывного спектра. Помимо нацпоро-говой ионизации результаты представляют интерес для спектро-

скопии ридберговских- атомов"и.;теория тормозного излучения в плазме.:.В Приложен?;: Я получено новое аскуптотяч-зское предегав-'ленке, полиномов Якобк с тремя большими параметрам:!. " л,;, -: .

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 В диссертации систематически -исследованы ; к£айтойоэлё5ктроди-; намические о-^ектк в; сильном..неоднородном, нестационарном свете б о:.; поле. Основное внимание".■уделено данаметеским, прояв-лениям пространственно-временной' неоднородности, поля;,-Основные.резуль-;, таты "состоят. в слепнущем.

1. Построена .квазиклассичеойгзя яолуфеномекологаческая : тео-; рзя кадпороговой ионизации,, в "которой найдена, вежчина-крити-,;'-; ч-зского поля , оареде.чя?:.::;его порог вознтжповонпя дополнительных пиков в энергетическом.спектре;;фотоэлектронов:■■'.. V

'■Поскольку в оптическом-диапазоне и)« /р.о. кр::т;1ческое . поле мало;, по сравнению" с ^атомным: ,-Такш образом прдучаег объяснение экспериментальный Факт .-.возникновения' нэдпорогбвой иош!-. ;. эации при низких кнтёнсявносгях.- .Предсказываемая- теорией /ртяо-\ сительная величина последовательных :; пиков'согласуется,-с результатами '-численных расчетов и?экспериментальшми;данними. ;

2. Получены приближенные выражениядипольшх матричных ■ '■■.'. элементов атомных переходов с -.большим -'изменением глазного квантового. числа - мевду ."квазиклассйче.сками состояниями вблкз:! границы , непрерывного спектра. -'Такие- матричные 'элементы' .'нельзя ; полу-' -чкть: с помощью .-принципа гсоответствяя. Результаты -'^широко используются в теории '-надпороговой 'ионизации,'-.'. тормозного излучения и. .

- спектроскопии рндберговеккх состояний.

3. Метод усреднения по;'быстрым колебаниям применен,-для ре-ше;шя уравнения Шредингера:электрона, двиаущегося в неоднород-

2С .

ном световом поле. Получены волновые функция, учитывающие рассеяние электрона пондеромоторным потенциалом,' включая случай отражения от светового фокуса. Таким образом сформулирована квантовая тетзрия нереляшвястского движения в неоднородно'.? световом поле. Состояния в неоднородном световом поле применяются для расчета фотояонизации, вынужденного тормозного эффекта и излучения электрона.:

4. Выполнен полностью квантовый (без привлечения .двухступенчатой модели) расчет ионизация из короткодействующего.потенциала длинным фокусированным лазерным импульсом. В отличие от теорий с нерелятивистским волковскям решением положение пиков не зависит от интенсивности и соответствует предсказаниям двухступенчатой модели. В .'туннельном пределе форма спектра'вполне удовлетворительно согласуется с'данными эксперимента по ионизации атомов калия .излучением СО2 лазера.

. 5. В аналитической форме развита теория пондеромоторного уширения и сдвига на.дпороговых пиков в. лазерных импульсах произвольной длительности. Величины сдвигов и ширин и их зависимость от параметров излучения согласуются с измерениями, выполненными в условиях, когда не существенны'.динамические резонан-сы в промежуточных состояниях дискретного спектра.

6. Предложена модель, позволяшая рассчитать ионизацию атома водорода второй гармоникой неодимового лазера, учитывая одновременно насыщение и выключение порогового канала из-за повышения потенциала ионизации. При .длительности импульса меньше 50 фс должно наблюдаться скачкообразное уменьшение скорости ионизации и возникновение плато на зависимости выхода ионов от интенсивности.

.•■'; 7. Развита, теория вынужденного многофотонного тормозного .эффекта при пересечении.электронного к светового пучков в атомарной мишени... Теория учитывает, что электрон рассеивается двумя потенциалами - атомным и пондеромоторньтм. , с - , .

8.' Установлена область прженшлостй решений уравнений двя-;.. кеняя в поле •.плоской волны, полученных с • пржененкем процедуры

'адиабатического' включения поля, .для описания динзз.гаки электро-'на 2 сильном,.фокусированном лазерном жпулъсе.'Для.релятивистского эяектрона ётл. ре-танил.при;,тенимы в коротких,' ■ слабо:фоку- '• .сировашшх импульсах сдт<<к/1 и ограниченном'сверху..-;:' диапазоне интенсивностей. ■ ;

9. Нетод усреднения распространен па релятивистскую динамику. Получены уравнения усредненного движения в сильных световых полях, когда электрон колеблется со скоростями .близкимик световой.

.10. Выполнены' оценки. рассеяния' быстрых ..электронов сильны- -' ми, фокусированными лазерными дагаудьсаки-релятивистской" интен-' .спвности при различной длительности к геометрии-столкновения.'

11. Указан механизм аффективного ушреная гармоник кзлу- ' чения электрона в. сильном, световом поле, .'связанный с. завися-' ' . мосты» частот гармоник от среднего.импульса электрона; Экспериментальное наблюдение такого ушипения будет прямым подтвержде- л кием существования зависящего от интенсивности сдвига.частоты : нелинейного спонтанного комптояосвского рассеяния. . ■ : ;

12. Рассчитано спектрально-угловое распределение много- • . фотонного спонтанного излучения, возникавшего при столкновении ультрарелятивистских электронных и 'фокусированных лазерных' пучков. Показано, что при релятивистской интенсивности.светового ,

поля уширенные гармоники перекрываются и спектр, 'излучаемый ,.в заданнш направлении, становится непрерывным^..

По диссертации автором выполнено 27 -научных работ. Основное с о де ркакие йяссептатге.олублкковано в раб отах:.

1. Гореславский С.П., Делоне П.Б., Крайнов В.П. Вероятности радиационных переходов между Еысонсвозбуждеиными'атомными состря-

. ниотш. // 1ЭТФ, 1982, т. 82, вып. 6, с..I7R9-I797. '

2. Ъевопе MB., Gores&vsAy , Kraincv V.R ■ ' Quasic&ssicaf Coo Рот & dip о Се matrix ePeme/> h // ZMys. В : At Met PJtys. , /98Я , К'ts, f/o./4, Р.М2/-ШЗ w

'3.7)?fane d В., Gcres&vsky S.R,kfacno\/ И/? Qoasidassicat dtpote matrix elements for atomic continuum s/ates // V.Pbys. 3: M.Mat Opt. Pbys.,/989, v. /3, p. Ш-М5'

4". Гореславский С.П., Крайнов В.П. Обратное тормозное излучение при многофотонной ионизации атомов. // В сб. Взаимодействие лазерного излучения с резонансными'средами, под ред. Алексеева А.И. " Москва, Энергоиздат, с. 73-83.

5. Яе&яе ^B.,Geres?avsky S.R and tfroZaov К Р. Же Ш theory of mi)ltip&aicn. aSwe- {£re$&o£d ietrisaiion. of afo/»s //

if. Pkys. в: At. , /m, v. /e, ль. в, p. ззед-те

6. Гореславский С.П., Нарожный Н^Б., Яковлев В.П. Пондеромотор-ный эффект в надпороговой ионизации. // Письма в ГЭТ5, 1987,

т.46, вып. 5, с. 173-175.

7. Gores Сам sky S.P., h/arozLy and Yakovtev V.P. Electron Spectra of aiove-tkreskoid ¿onCze-fioa. ¿a, spdiaC&y ¿n£o,»o-geneous fiePd // OJQSA B., 4989, v. 6, t/o.g, p. (?S>2-ft56

8. Горесдазский С.П_, Щербачев О.В. Покдеромоторное уширение в ■ спектрах нэдпороговой ионизации. : // 3ii3T5, 1989, т.95, вып.1,

с.93-103.

9. Гореславский С.П., Соломатин А.В. Тормозное излучение в не- : однородном поле. //ЮТ Ф, 1990, т.96, вып.4, с.1214-1223. .■::■

Ю, Gore star sky MotHiptoten. phenomena, in

fe&l of o- sirony focused ¿ctser poise // Series in. Optics ancf Platonics } War£d Scientific) Singapore 1

V. 3, /99/, p. Л45-Л58

ii. Gorestavsky S.R, SAe/eriac/ev O.V. Gitivaf Intensities for Ionization- of dydrogen // Series in Optics andPAotor>ics/ Wor£d Scientific , Singapore, V.3 ,/99/, p.469-4?6

12 Gcres&n/s£y S:R.t tfciroziny fl/,8 , Yatov&i/ V-P PeMivistic Edeciron. Collision With Focused Short laser PuPse // laser Physics /99/, v. 6} Ato. 6, p. &0-6Г?

13. Geresfavsky S.Pt /Varoztng MS., Stc/ier&icLvЙ!/., %,/cov/ev V.R Fiedd - Induced Broadening of t/>e ■Spontaneous Emission. ■ Spectrum of an Efectrotг Ал a Strong bight ReM // Loser Physics , /99Z , К 2, *b4 6, p. /0StF—/0<fr

14. Goresfavsky S. f>, h/arodny M &., S/ic/ier&zckv CM^aia/^V.)

Dynamics and ftadiation. of <t PefaiWistie Sfectro/^ in. /die Ft<?6oi &f an. Intense t focused Zaser Poise //

baser Physics , /995 , v. 3, Ыо. 2, ; p. 42/- 433