Исследование динамики ионизации атомов короткими лазерными импульсами и многозарядными ионами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

1. Введение

1.1. Общая характеристика работы

1.2. Основное содержание работы

1.1. Общая характеристика работы

Актуальность проблемы.

Исследование поведения атомов под воздействием сильного электромагнитного поля, анализ энергетических и угловых распределений фотоэлектронов, заселения атомных уровней, определение скоростей процессов ионизации, рекономбинации и различных видов возбуждения и перерассеяния имеют как общетеоретический интерес, связанный с изучением новых явлений и их характеристик, так и практический интерес в таких областях как лазерная физика, физика плазмы, и др., а также в других задачах связанных с процессами ионизации и возбуждения атомов.

Последнее время большой интерес вызывают исследования процессов ионизации атомов сильными и сверхсильными электромагнитными полями возникающих в коротких и сверхкоротких лазерных импульсах. Это связано, прежде всего, с происходящим в настоящее время бурным развитием лазерной техники, появлением лазеров, с частотой повторения импульсов порядка килогерца, обеспечивающих высокую энергию импульса и стабильность его временных характеристик, а так же получением импульсов длительностью 4,5 фс в видимом диапазоне, что соответствует всего двум периодам световых колебаний. Взаимодействие такого излучения с атомами приводит к разнообразным эффектам, таким как надпороговая ионизация, резонансы при ступенчатой ионизации, перерассеяние фотоэлектронов на родительском ядре. Исследование этих и других эффектов оказывается важным, так как такие источники мощного фемтосекундного лазерного излучения находят свое применение в разных областях науки и техники.

При взаимодействии сильного электромагнитного излучения с атомами вероятности ионизации и возбуждения часто оказываются порядка единицы. Это делает неадекватным использование простой кван-товомеханической теории возмущений для описания процессов. К настоящему времени большинство работ связано с использованием для описания процессов ионизации в сильных полях аналогов теории возмущений, учитывающих уже в нулевом порядке влияние нестационарного внешнего потенциала. Однако необходимо отметить, что при этом оказываются неучтенными многие эффекты, сильной связи дискретных состояний с континуумом, такие как одновременное существование прямых и обратных переходов, унитарность S-матрицы системы, переходы через промежуточные состояния и другие. В случае взаимодействия атома с лазерным импульсом большой амплитуды и малой длительности эти эффекты начинают играть существенную роль.

Таким образом, исследование процессов взаимодействия атомов с сильным внешним переменным электромагнитным полем с учетом эффектов сильной связи приобретает особый интерес.

Целью данной работы являлось исследование динамики процессов ионизации и возбуждения атомов короткими лазерными импульсами и многозарядными ионами. При этом особое внимание уделялось влиянию эффектов сильной связи и переходов через промежуточные возбужденные состояния дискретного спектра на энергетические и угловые распределения фотоэлектронов, заселение атомных уровней, скорости процессов ионизации, рекономбинации и различных видов возбуждения. В рамках поставленной цели решались следующие задачи:

- Разработка эффективных численных и аналитических методов решения уравнений сильной связи с учетом взаимодействия с непрерывным спектром без использования приближений связанных с дискретизации последнего.

Исследование влияния эффективности различных квантовых переходов между состояниями атома на динамику процессов ионизации.

Исследование резонансных эффектов и эффектов сильной связи возникающих в процессе ионизации, А так же зависимости спектров электронов и конечных населенностей дискретных уровней от параметров фемтосекундного импульса.

Научная новизна представленной работы состоит в следующем:

1. Впервые получены зависимости населенностей дискретных уровней и непрерывного спектра от времени, а так же спектры фотоэлектронов, при ионизации фемтосекундными импульсами линейной и круговой поляризации с учетом эффектов сильной связи. Так же получены зависимости спектров электронов и конечных населенностей дискретных уровней от параметров импульса.

2. Предложены эффективные численные и аналитические методы решения уравнений сильной связи с учетом взаимодействия с непрерывным спектром без использования приближений связанных с дискретизации последнего. В том числе и метод временно го интегрального уравнения. Получены приближенные аналитические формулы, описывающие динамику процесса ионизации, в неадиабатическом случае, а также формулы для ядра временно го интегрального уравнения. Продемонстрирована связь развитых точных методов с известными ранее приближенными методами исследования процессов ионизации.

3. Исследовано влияние эффективности различных квантовых переходов между состояниями атома на вероятности ионизации и спектры фотоэлектронов. Представленные результаты позволяют подобрать параметры лазерного импульса таким образом, чтобы добиться увеличения населенностей тех или иных состояний дискретного и непрерывного спектров.

Практическая и научная ценность работы состоит в том, что в ней разработаны эффективные методы решения интегро-дифференциальных систем уравнений сильной связи, включающих взаимодействие состояний дискретного и непрерывного спектров. В том числе эффективный метод исследования системы в случае неадиабатического взаимодействия связанных и свободных состояний, а также уни версальный метод временно го интегрального уравнения. Последний позволяет исследовать процессы взаимодействия атома с внешним электромагнитным полем любой поляризации, и зависимости от времени.

Данные методы могут применяться для эффективного анализа большого класса квантовых систем.

Защищаемые положения:

1. Общая структура и вывод временно'го интегрального уравнения. Условия, при которых необходимо учитывать влияние переходов через промежуточные дискретные уровни и свободно-свободных переходов при исследовании процессов взаимодействия атомов с короткими лазерными импульсами и многозарядными ионами. Первые переходы должны всегда учитываться при исследовании систем уравнений сильной связи, построенных на базисе из волновых функций не келдышев-ского типа, а так же и при использовании базиса, содержащего функции келдышевского типа, в случаях, когда требуется, чтобы результат имел более высокую точность, нежели экспоненциальная. Последние - когда интерес представляет спектр фотоэлектронов в области больших энергий.

2. Результаты численного анализа динамики ионизации атомов короткими лазерными импульсами и многозарядными ионами. Структуры зависимостей населенностей дискретных уровней и непрерывного спектра от времени, спектры фотоэлектронов, при ионизации фемтосе-кундными импульсами линейной и круговой поляризации с учетом эффектов сильной связи. Зависимости спектров электронов и конечных населенностей дискретных уровней от параметров импульса.

Достоверность результатов диссертации основана как на удовлетворении внутренних критериев верности теории, подробном анализе применяемых допущений, так и на соответствии с известными ранее частными теоретическими и экспериментальными результатами.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на международных конференциях: "IX International Conference on the Physics of Highly Charged Ions (HCI-98)", Bensheim, Germany (1998).; "Elementary Processes in Atomic Systems" (CEPAS 2000). Ukraine (2000). "10th INTERNATIONAL LASER PHYSICS WORKSHOP" Moscow (2001); XVI Всероссийской «Фундаментальная атомная спектроскопия». Москва (1998). XXXIX (1997), XL (1998), XL 1(1999), XLII (2000) научных конференциях Московского Физико-Технического Института «Современные проблемы фундаментальной и прикладной физики и математики».

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 12 печатных работах, из них 3 статьи и 9 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из первой главы - введения, основной части - четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 87 страниц, включая 24 рисунка. Библиография содержит 69 наименований.

6. Заключение

В заключение приведем основные результаты работы

1. Разработаны эффективные методы решения интегро-дифференциальных систем уравнений сильной связи, включающих взаимодействие состояний дискретного и непрерывного спектров. В том числе эффективный метод исследования системы в случае неадиабатического взаимодействия связанных и свободных состояний, а также уни версальный метод временно го интегрального уравнения. Последний позволяет исследовать процессы взаимодействия атома с внешним электромагнитным полем любой поляризации, и зависимости от времени.

2. Получены приближенные аналитические формулы, описывающие динамику процесса ионизации, в неадиабатическом случае, а также формулы для ядра временно го интегрального уравнения. Продемонстрирована связь развитых точных методов с известными ранее приближенными методами исследования процессов ионизации.

3. Приведена оценка, показавшая, что свободно-свободные переходы играют значительную роль в заселении состояний непрерывного спектра с большими энергиями. Вместе с тем они не приводит к значительному изменению полных заселенностей состояний непрерывного спектра с разными угловыми моментами.

4. Приведены результаты расчета динамики ионизация атома водорода сильным внешним монохроматическим полем. Подтверждена адекватность использования неадиабатического подхода при решении задачи. Даны зависимости скорости ионизации от интенсивности внешнего поля для случая сверхсильных (много превышающих атомное) полях. Представлены энергетические спектры фотоэлектронов (с учетом перерассеяния) и вероятности заселения высоковозбужденных (ридбер-говских) состояний. Показано, что последние оказываются слабо заселены. Найдено согласие результатов полученных обоими представленными методами, как между собой, так и с результатами расчетов других авторов, в рамках применимости последних. Результат, получаемый с использованием функций келдышевского типа без учета переходов через промежуточные уровни, слабо зависит от частоты в туннельном пределе. Результат, получаемый с использованием метода временного уравнения, колеблется в зависимости от частоты вследствие, описанного наличия резонансных взаимодействий с дискретными уровнями, не учитываемых в теориях келдышевского типа. При этом оба результата имеют одинаковую экспоненциальную зависимость.

5. Приведены результаты расчетов взаимодействия коротких (фемтосекундных) лазерных импульсов с атомом водорода методом временно'го уравнения. Результаты расчетов представлены для импульса распространенной в современной физике фемтосекундных лазеров формы F(t) = Г0 ■ sech(^/)- sm(<y • /) как линейной, так и круговой поляризации.

A) Рассмотрена динамика процесса ионизации. Показано, что ионизация в основном происходит во второй половине импульса.

Б) Представлены спектры фотоэлектронов при разных параметрах лазерного импульса. Обнаружен и проанализирован эффект ускорения электронов вследствие сильной связи дискретных уровней с континуумом.

B) Исследовано влияние наличия возбужденных дискретных уровней на процесс ионизации. Показано, что наличие промежуточных состояний приводит к сильному увеличению вероятности ионизации, а так же к появлению дополнительных пиков в энергетическом распределении фотоэлектронов. Проведен анализ последнего эффекта.

Г) Для анализа зависимости спектров фотоэлектронов и населен-ностей возбужденных состояний представлены трехмерные графики поверхности), образуемые энергетическими спектрами фотоэлектронов, а так же распределением по угловому квантовому числу, /, при различных частотах, со. Так же представлены поверхности демонстрирующие населенности различных состояний дискретного и непрерывного спектров от характеристик импульса, амплитуды поля, F и частоты СО .

Показано, что наличие резонансов при взаимодействии гармоник короткого лазерного импульса с возбужденными дискретными состояниями (и смещенными вследствие динамического эффекта Штарка) приводит к сильной зависимости вероятностей ионизации, возбуждения, энергетических и угловых распределений фотоэлектронов от параметров импульса. Представленные графики не только показывают ожидаемые результаты, но и могут быть использованы для определения параметров импульса, требуемого для получения тех или иных значений населенностей и вероятностей ионизации.

Е) Показано, что в случае короткого лазерного импульса, ионизация оказывается меньше при круговой поляризации, нежели при линейной. В случае круговой поляризации пики, возникающие вследствие наличия промежуточных дискретных состояний, оказываются размазаны. Анализ показывает, что последнее объясняется различием в правилах отбора для случаев круговой и линейной поляризаций.

Ж) Рассмотрены и проанализированы процессы ионизации атомов немодулированными несимметричными импульсами.

6. Приведены результаты применения метода временного интегрального уравнения к задаче ионизации водородоподобного иона многозарядными ионами в дипольном приближении. Приведены сечения ионизации, сканированные по заряду налетающего иона. Зависимость дана от энергии налетающего иона, деленной на его массу. Найдено согласие с результатами других авторов, полученные численным расчетом и экспериментально.

Автор благодарен доктору физ.-мат. наук, профессору JI. П. Преснякову за бесценные знания и опыт, полученные под его научным руководством. Коллективу кафедры Квантовой радиофизики МФТИ и отделения Оптики ФИАН. Старшему научному сотруднику, кандидату физ.-мат. наук Д. Б. Ускову за ценные обсуждения. Рецензенту, доктору физ.-мат. наук С. В. Лебедеву, оппонентам: доктору физ.-мат. наук, профессору С. П. Гореславскому и старшему научному сотруднику, кандидату физ.-мат. наук А. П. Канавину и представителям ведущей организации, Института Спектроскопии РАН за проведенный анализ работы и ценные замечания. А так же членам ученого совета К 212.156.05 при МФТИ.

1. Бычков Ю. А., Дыхне А. М., ЖЭТФ 58, 1734 (1970).

2. Дамбург Р., Колосов В., ЖЭТФ 65, 658 (J974)

3. Делоне Н.Б., Крайнов В.П. Атом в сильном световом поле. Москва, Наука, 1985

4. Делоне Н. Б., Крайнов В. П., УФН 168, 531 (1998).

5. Зарецкий Д. Ф., Крайнов В. П., ЖЭТФ 66, 537 (1974); 67, 1301 (1975).

6. Зоммерфельд А., Строение атомов и спектры, Гостехиздат, Москва (1956).

7. Зон Б. А., ЖЭТФ 73, 65 (1977).

8. Келдыш Л. В., ЖЭТФ 47,1945 (1964).

9. Кондорский А. Д. «Эффект кулонова поля в задаче многофотонной ионизации», Тезисы докладов XXXIX Юбилейной научной конференции МФТИ стр 23, Долгопрудный (1996).

10. Ю.Кондорский А. Д., Усков Д. Б., «Нейтрализация ионов Н при медленных столкновениях с многозарядными ионами», Краткие Сообщения по Физике ФИАН (K.S.F. FIAN), №1-2, с.58 (1997).

11. П.Кондорский А. Д. «Роль свободно-свободных переходов в задаче ионизации атомов», Тезисы докладов XL Юбилейной научной конференции МФТИ стр 14, Долгопрудный (1997).

12. Кондорский А. Д., Пресняков Л. П. «О влиянии квантовых переходов внутри непрерывного спектра на процессы ионизации атомов», Тезисы докладов XVI Конференции «Фундаментальная атомная спектроскопия». 8-11 декабря, Москва (1998).

13. Кондорский А. Д., Пресняков Л. П. «Влияние квантовых переходов в непрерывном спектре на процессы ионизации атомов в сильных полях», ЖЭТФ (JETP) 115, вып 4, стр 593 (1999)

14. Кондорский А. Д. «Ионизация атомов короткими электромагнитными импульсами: исследование в рамках метода сильной связи», Тезисы докладов XLII Научной конференции МФТИ, Долгопрудный (1999).

15. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика, т 2, Теория поля, гл. IX, параграф 70, Наука 1988.

16. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика, т 3, Квантовая механика (нерелятивистская теория), гл. X, параграф 77, Наука 1989.

17. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика, т 4, Квантовая электродинамика, гл. VII, параграф 64, Наука 1989.

18. Мовсесян А. М., Федоров М. В., ЖЭТФ 95, 47 (1989).

19. Никитин Е. Е., Уманский С. Я., Неадиабатические переходы при медленных атомных столкновениях, Атомиздат, Москва (1979).

20. Переломов А. М., Попов В. С., Терентьев М. В., ЖЭТФ 50, 1393 (1966).

21. Пресняков Л.П. Труды ФИАН, 119, с 52, (1980).

22. Пресняков Л. П., Усков Д. Б., ЖЭТФ 86, 862 (1984).

23. Пресняков Л. П., Усков Д. Б., Письма в ЖЭТФ 66, 23 (1997).

24. Сборник к 70-летию Н.Б.Делоне: Laser Physics, 7, номер 3, May-June, 1997.

25. Barbec Т. and Krausz F., Rev. of Mod. Phys., 72, No. 2, (2000).

26. Byron F. W., Francken P., Joachain C. J., J. Phys. В 20, 5487 (1987).

27. Collins L.A., Merts AL. Phys. Rev. A, 45,9,(1992).

28. Corkum P, Phys. Rev. Lett. 71, 1994 (1993).

29. Cormier E., Lambropoulos P. J. Phys. B, 29,(1996).

30. Cormier E., Lambropoulos P., J. Phys. В 30, 77 (1997).

31. Delone, N. В., Krainov, V. P., Physics-Uspekhi 42, 669-687, (2000)

32. DiMauro L F and Agostini P, Advances in Atomic, Molecular and Optical Physics V. 35, 79(1995).

33. Dionissopoulou S., Lyras A., Mercouris Th., Nicolaides C.A. J. Phys. B, 28, L109, (1995).

34. DiMauro L., Kulander K. , Agostini P., Super-Intense Laser-Atom Physics IV, 1995. p. 97.

35. Faisal F. H. M., J. Phys. В 26, L89 (1973).

36. FedorovM. V., Movsesyan A. M., J. Opt. Soc. Am. В 6, 928 (1989); В 6, 150 (1989).

37. Freeman R.R., Bucksbaum P.H. Milchberg, H., Darack, S., Schumacher, D., and Geusic, G.M., Phys. Rev. Lett., 59, 1092 (1987).

38. Freeman R.R., Bucksbaum P.H., Cooke, W. E., Gibson, G., Mcllrath, T.J., and Woerkom, L.D., Atoms in Intense Laser Fields (Gavrila, M., ed.), Academic Press, San Diego (1992).

39. Geltman S, J. Phys. B, 33, p.1967 (2000)

40. Goreslavskii S P and Popruzhenko S V, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 32, L531 (1999).

41. Goreslavskii S P and Popruzhenko S V, Zh. Exp. Theor. Phys. 117, 893 (1999); English translation: JETP 90, 778 (2000).

42. Janev R. K., Presnyakov L. P., J. Phys. B. 13, 4233 (1980).

43. Janev R.K, Ivanovski G., and Solov'ev E. A., Phys Rev A, 49, R645 (1994).

44. Joachain C. J., Dorr M., Kylstra N. J., Comments At. Mol. Phys. 33, №5,247 (1997).

45. Kondorskiy A. D. "Role of close coupling effecns in continuum for ionization problems" Book of Adstracts of Europhysics Conference "Elementary Processes in Atomic Systems" (CEPAS 2000). Ukraine 2000.

46. Kondorskiy A. D. and Presnyakov L. P., "Interactions of atoms with few-cycle laser pulses: close coupling of discrete states with continuum" submitted to ICPEAC 2001.

47. Kondorskiy A. D. and Presnyakov L. P., "Resonance effects at interactions of short laser pulses with atoms" submitted to ICPEAC 2001.

48. Kondorskiy A. D. and Presnyakov L. P., "Dynamics of interactions of short laser pulses with atoms: role of close coupling effects" submitted to J.Phys. В (2001).

49. Krainov V. P., J. Opt. Soc. Am. В 14, 425 (1997).

50. Lohr A, Kleber M, Kopold R and Becker W, Phys. Rev. A 55, R4003 (1997).

51. Melchert F., Benner M., Krudener S., Shulze S., Huber S., Salzborn E., Uskov D. В., Presnyakov L. P., Phys. Rev. Lett. 74, 888 (1995).

52. Mittleman M. H., Phys. Rev. A 14, 1338 (1976); 16, 1549 (1977); 21, 79 (1980).

53. Mittleman M.H. Phys. Rev. A, 50,4,(1994)

54. Paulus G G, Becker W, Nicklich W and Walther H, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 27, L703, (1994).

55. Paulus G G, Zacher F, Walther H, Lohr A, Becker W and Kleber M, Phys Rev. Lett. 80, 48 (1998).

56. Presnyakov L. P., Phys. Rev., A 44, 5626 (1991); in Progress in Optics, edited by E. Wolf, North Holland, 34, 159 (1995).

57. Presnyakov L.P., Tawara H., Tolstikhina I.Y., Uskov D.B. J. Phys. B, 28, 785,(1995).

58. Presnyakov, L. P., Kondorskiy, A. D. "Ionization of Atoms and Ions by Strong Electromagnetic Fields: Electron Redistribution in Continuum", Physica Scripta, T80, 553-554 (1999).

59. L. P. Presnyakov, V. P. Shevelko and R. K. Janev, Elementary Processes Involving Multicharged Ions.

60. Reiss H. R., Phys. Rev. A 22, 1786 (1980); 42, 1476(1990).

61. Schiwietz G., Phys. Rev. A, 42, 298 (1990).

62. Shafer K, Yang B, DiMauroL F and Kulander К С, Phys. Rev. Lett. 79, 1599 (1993).

63. Smirnov M В and Krainov V P, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 31, L5199 (1998).

64. Zhang J., Lambropoulos P. J. Phys. B, 28, L101, (1995).

65. Zhang J., Lambropoulos P., J. Nonlinear Opt. Phys. Mater. 4, 633 (1995).

66. Zhu C. and Nakamura H., J. Chem. Phys. 101, 10630 (1994).

67. Zhu C. and Nakamura H., J. Chem. Phys. 102, 7448 (1995).

68. Zhu C., Teranishi Y. and Nakamura H., Adv. Chem. Phys., 117, 127 (2001).