强激光场原子隧道电离的研究新进展【《光学学报》创刊40周年庆】


 

《光学学报》40周年庆约稿:| 刘运全; 韩猛; 强激光场原子隧道电离的研究新进展[J]. 光学学报, 2021, 41(1):0102001.

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1、背景

光与物质的相互作用一直是科学的主旋律之一。从上世纪初,原子光谱的研究拉开了量子力学的大幕,到上世纪中叶,激光的问世又为物质学科的研究注入了新的活力。随着超强超短激光技术的快速发展,如今人们可以在单个原子层次上,研究并调控光子与电子的相互作用,可以实现探测原子内电子的超快动力学过程。强激光诱导的原子隧道电离是众多强场物理现象的基石,具有重要的研究意义,是研究前沿的热点之一。

北京大学刘运全教授课题组对原子隧道电离方面取得的进展及未来发展方向进行了总结与展望。

2、隧道电离

一束光照射到原子或分子上,它们内部的电子存在着一定几率会逃逸出来,这个现象就是著名的光电效应。光电效应的物理解释是基于频率图像中的能量守恒,即电子吸收了光子的能量后,从而摆脱了离子的束缚。上述图像看似完美,却忽略了电子的时域动力学信息,即电子是如何吸收光子以及如何摆脱离子的束缚。当脉冲激光问世后,入射光的光强得到了极大地增强,这时人们发现低频光子(能量小于原子分子的电离能)也可以触发光电离,从频率图像上看,原子分子内部的电子同时吸收多个光子实现电离,即多光子电离。

在1960年左右,前苏联科学家Keldysh意识到当光场的频率远小于电子的运动频率时,可以把光场看作为一个静电场,该静电场会把原子内部的库仑场压弯,从而形成一个有限厚度的势垒,基态电子可以通过量子隧穿的机制摆脱母核的束缚,实现电离。这个观点极具开创性,回避了光子的概念,第一次提出了光致电离在时域图像中的机制,即隧道电离。

随后,飞秒激光技术得到了迅猛发展,脉冲激光聚焦后的电场强度可以达到、甚至超过原子内部的库仑场(氢原子的基态电子所感受到的库仑场的等效光强为 ),各种基于隧道电离的物理现象层出不穷,比如高次谐波,分子电离解离,阿秒钟,光电子全息等。

在另一方面,对于隧道电离本身的研究也始终未曾停止。如,隧穿是否需要时间?如何理论描述和实验探测势垒下电子的动力学信息?含时震荡的激光电场对隧穿本身的影响?发生隧道电离后的光电子是否具有拥有特定取向的自旋? 这些基础问题的回答一方面将会加深人们对量子隧穿的理解,另一面也将极大地推进强场电离的应用研究。

3、光电子势垒下相位的实验观测

对于大多数刻画电子干涉动力学的理论模型,都假定隧穿之后的电子波包不携带任何初始相位,即不考虑电子波包的势垒下相位,只考虑最后面两项经典传播的相位,便可以取得与实验结果比较好的符合。然而,基于自洽完整的强场近似理论,电子波包又似乎具有这个初始的势垒下相位。因此,问题的核心是人们在描述光电子干涉时是否需要这个势垒下相位,以及在哪些光场条件下能明显地看到势垒下相位对实验结果起着不可缺少的作用。

利用等强度的正交双色光场可以揭示势垒下相位的影响。在该光场中,等强度的正交的两个电场可以最大限度地避免电子在两个维度上发生库仑聚焦现象,从而可以进一步提高周期内干涉条纹的分辨率,从而可以产生更加丰富的周期内干涉条纹。因此,我们选取等强度正交双色光场作为我们的探测方案。

图1给出了等强度正交双色场不同相对相位下的光电子二维动量谱。从验结果中可以发现,等强度的正交双色光场将会产生更加丰富的光电子干涉结构,光电子动量谱中的环形结构(能量为定值)为周期间干涉,动量谱中的径向条纹对应于周期内干涉条纹。借助于库伦修正的强场近似模型和数值求解含时薛定谔方程的方法,我们证实了电子的势垒下相位对周期内干涉结构有着重要影响,从而首次在实验上了揭示了光电子的势垒下相位,并发展了双指针阿秒钟对势垒下相位进行实验测量。


图1 实验测量到的等强度正交偏振双色光场作用下的光电子动量谱,右上角标注着两束光的相对相位.

4、光电子自旋极化的时空调控

在圆偏振激光场作用下,环流轨道的强场电离中的非绝热效应引发了人们极大的研究兴趣。非绝热效应一个自然的表现结果是圆偏振光更倾向于电离反向旋转的环流轨道,如果考虑上原子分子内部的自旋轨道耦合现象,则可以利用圆偏光场中的非绝热效应产生自旋极化的光电子。

目前所有产生自旋极化光电子的方案都局限于使用圆偏振的激光。在圆偏振光场中,光场的偏振矢量旋转速度相同且强度基本不发生变化,所以光电子的自旋极化也是不随时间变化。如今利用脉冲整形技术,人们可以产生瞬时任意偏振的激光脉冲,因此,研究任意光场作用下的亚周期的光电子自旋极化是一个非常重要的课题。

该课题组提出利用正交双色光场来产生自旋极化的光电子,并且可以在时间和空间两个维度上调控光电子的自旋极化。图2为原理示意图,这里以氪原子的自旋轨道耦合后的激发离子态为例加以说明。在激光的半个周期内,光场偏振矢量顺时针旋转,P-轨道(自旋向上)被主要电离出去,然后在光场的驱动下向左侧发射;在激光的下半个周期内,光场偏振矢量逆时针旋转,P+轨道(自旋向下)被主要电离出去,然后在光场的驱动下向右侧发射。因此这种方案可以产生自旋极化的光电子,并且将自旋向上和自旋向下的光电子在空间上分离开来。通过调节两束光的光强比,可以在时间上控制合成光场的偏振态,从而可以实现时间和空间两个维度上调控光电子的自旋极化。


图2 使用相对相位为零的正交双色光场产生空间分离的自旋极化光电子的机制.

5、总结与展望

在之前的研究中,人们大都是关注于激光峰值时刻的隧穿事件,而对于偏离激光峰值时刻的非平衡态隧穿过程则很少研究,随着双色光场的应用与发展,时间分辨光学隧穿则是一个重要的未来研究课题。另外,在双色光场乃至于多色光场中的光电子自旋极化的实验研究,也具有潜在的研究意义,可以为自旋极化的光电子的产生和调控提供重要手段。

 

个人简介:

刘运全,北京大学博雅特聘教授,2009年获教育部新世纪人才计划(B类)支持,2010年获饶毓泰基础光学奖一等奖,2011年获国家杰出青年基金支持,2012获王选青年学者奖,2013获王大珩中青年光学奖,2014获聘教育部长江特聘教授,2014年入选科技部中青年科技创新人才计划, 获2014-2015年度中国物理学会饶毓泰奖,入选2016年第二批中组部”万人计划“,获2018年度中国光学学会首届光学科技奖。

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