高强度的飞秒激光在非线性介质成丝过程中会产生一系列非线性效应，如强场电离、转动拉曼、高次谐波、激射等，这些非线性效应与强场下分子的复杂运动有关。研究强场作用下的分子动力学问题将有助于更好地理解飞秒激光成丝过程中非线性效应背后的物理机制。综述了近年来飞秒激光在空气中成丝时主要分子动力学特性的研究进展，包括分子准直、分子电离、电子-离子复合以及分子能级的粒子数布居。最后对强场与分子相互作用研究所面临的机遇以及挑战进行了展望。

结合共振激发和场电离探测技术, 通过总角动量量子数0→1→0→1的激发路径, 研究了第一电离阈附近的Sm原子奇宇称Rydberg态4f66snp(J=1)。首先, 在45 200~45 500 cm-1能量范围内共发现了94个奇宇称Rydberg能级。其次, 通过对有效量子数和Rydberg能级结构特点的分析, 将其中68个能级归属为3个束缚Rydberg系列, 另外26个能级也给出了能级位置。然后, 利用Rydberg-Ritz公式, 对3个Rydberg系列分别进行了拟合, 获得了Sm原子的电离阈为（45 519.61±0.79) cm-1。最后, 采用6种偏振组合激发, 由偏振选择定则, 进一步验证了这些奇宇称Rydberg态总角动量量子数为1。这些结果首次证实了场电离探测技术对Sm原子高激发Rydberg态的适用性, 并且通过对奇宇称Rydberg系列拟合得到的Sm原子电离阈与文献中通过偶宇称Rydberg系列获得的值（45 519.64±1.39) cm-1基本一致。

将冷原子、超快和强激光技术结合,本课题组最近成功研发了一种新型磁光阱反冲离子动量谱仪(MOTRIMS)装置。介绍了MOTRIMS工作原理,使用吸收成像法和光电离法对靶的密度、温度和速度进行分析标定,得到三维MOT靶的温度为(130±30) μK,速度为(0.1±0.1) m/s,密度约为10 9 atom/cm 3,二维MOT和molasses靶的密度分别约为10 7 atom/cm 3和10 8 atom/cm 3。对比热蒸气靶,在离子飞行方向上冷原子靶的动量分辨率提高了约14倍,飞行时间谱的质量分辨率高达3000。利用800 nm飞秒激光探测Rb +的三维动量分布,在低激光强度10 11 W/cm 2下观测到明显的阈上电离现象,表明铷原子有很大的阈上电离截面。MOTRIMS具有高分辨离子动量分布全空间成像能力,是研究金属原子强场量子微观动力学的新工具。

利用三步激光共振激发结合场电离探测技术, 系统地研究了铕原子归属于第一电离限4f76s 9S4的4f76snp Rydberg态的场电离过程, 得到了铕原子 4f76snp Rydberg 态的场电离光谱图。在光激发之后施加脉宽为0.2 μs的脉冲电场, 连续扫描电压得到场电离过程图。从4f76snp Rydberg态的场电离过程图谱中, 可以精确地获得态的场电离阈, 观察电场逐步从0到3 kV变化时原子的演化过程。特别是, 受黑体辐射的影响, 一些结构出现在了场电离光谱图上。

对线极化超短脉冲强场电离进行了回顾和分析。对不同参数的超短脉冲、线极化强激光与轻元素气体靶相互作用产生的等离子体中电子剩余能进行了解析和粒子模拟数值计算。考虑到强场线极化光产生的等离子体的高电离度和低电子温度的特点,采用了有别于通常计算逆轫致吸收的方法,用零温度近似计算逆轫致效应。模拟过程中还考虑了纵向电场效应。给出了强场线极化光与氦和氖元素气态靶相互作用的理论计算结果和相应的结论。

总结并推导了在考虑激光脉冲包络时超短强激光脉冲光场电离多电子气体原子体系的阈上电离能量的计算公式,消除了以往研究中的唯象假设。发展了产生各阶离化态离子的阈值光强和饱和光强的计算方法。数值模拟表明,随激光能量升高,平均剩余电子能量呈现出类似阶梯型平台的饱和行为。

利用软X射线大面积透射光栅谱仪,对超短强激光脉冲辐照下玻璃微毛细管靶的软X射线发射特性进行了研究。测得了不同的激光能量下、不同长度;3 mm、6 mm、9 mm 的微毛细管的软X射线发射谱,并观察到随着微毛细管长度的增加,X射线发射强度增强。