速度影像谱仪的研制及其在强场原子分子电离研究中的应用

摘要

速度影像谱仪可以获取强场作用产物的三维动量分布，能同时得到作用产物的动能分布以及角度分布信息。这项突出的能力使得速度影像谱仪成为强场原子、分子物理中的一项重要的研究工具。本文详细介绍了速度影像谱仪的研制、搭建过程以及基于谱仪开展的相关研究工作：研究了激光-气体作用区域对速度影像分辨率产生影响的机制，并进一步通过采用色散补偿速度影像技术和消球差速度影像技术，大幅度提高了速度影像谱仪的能量分辨率。然后，结合超快激光，通过改变激光光强实现了对多光子共振电离的选择性增强。
　　本文首先对速度影像谱仪系统的搭建过程作了详细地介绍。分别对系统中各个组成部分的原理及技术要点、参数作了详细的介绍，按结构主要分为飞行电场、真空系统、气体进样系统、激光器系统、探测器及实验信号处理系统几个部分。着重对飞行电场及静电透镜的设计这一系统的关键组成部分作了详细的介绍，通过SIMION软件对静电透镜的聚焦能力及谱仪系统的分辨能力作了仔细的研究。另外通过对Xe多光子电离过程的成像实验，验证了谱仪具有良好的探测能力。在搭建谱仪的同时，还针对谱仪的成像技术进行了相关的研究及改进工作。
　　分别从VMI谱仪轴向和径向两个维度出发，研究了不同尺度的激光-气体作用区域对不同动能电子/离子的能量分辨率造成的影响。研究发现，轴向作用区域尺度主要影响高能电子/离子的分辨率；而径向作用区域尺度主要影响高能和低能电子/离子，对中间能量的电子/离子影像很小。进一步地，通过追踪粒子的飞行轨迹，分析了作用区域大小影响分辨率背后的机制。通过对影响机制的研究，发现静电透镜使不同动能的粒子聚焦在轴向的不同位置，最终导致分辨率受到了很大影响。影响机制的研究为影像谱仪的改进作了铺垫，针对静电透镜的这种效应采取相应的办法，可以大幅度改善谱仪的能量分辨率。
　　提出了一种色散补偿技术来改善速度影像谱仪的能量分辨率。这种方法与速度影像装置的原始设计主要区别在于多加了两块栅网电极。两块栅网电极所形成的偏转电场补偿了能量分辨率的“v”形色散。成像过程的模拟结果显示，采用色散补偿方法后，VMI谱仪的动能分辨率通过该方法可以被显著改善。研究发现，采用该色散补偿的方法后，影像谱仪的能量分辨率水平提高了接近一倍。
　　进一步地，又提出了另外一种更简单、可行的方法来提高离子速度影像实验中的能量分辨率——消球差速度影像技术。基于一台传统的三电极板-速度影像谱仪，该方法在提取极板上施加了一个跳变电压来减小静电透镜的球差效应。通过精确的控制电压跳变的时刻，成功地对传统影像谱仪中静电透镜的球差效应实现了压制。模拟和实验结果表明，使用消球差-速度影像技术可以明显的提高影像谱仪的分辨率水平。数据显示，使用该方法后，能量分辨率水平可以提高两倍。
　　基于研制和搭建成功的谱仪系统，使用800nm线偏振激光对Xe进行了多光子电离实验，并且得到不同光强下的高分辨光电子动量谱。发现在特定光强下，Xe的动量谱中呈现出一种明显的双环结构，并且两个环分别在较低和较高的光强下消失。通过研究光强分辨的光电子能谱发现，这种双环结构来自于原子多个里德堡态的多光子共振电离。通过改变激光光强，可以选择性的增强某个里德堡态的共振电离。另外还研究了低阶阈上电离下的多光子共振电离的光电子角分布，研究发现共振多光子电离的光电子动量谱角分布不仅取决于角量子数，还和里德堡态的主量子数有关。

目录

声明

1 绪论

1.1 强激光场与原子分子相互作用概述

1.1 强场原子分子电离概述

1.2 光电子/离子速度影像技术概述

1.3 论文主要工作

2 速度影像谱仪系统的研制及建设

2.1 飞行电场设计

2.2 真空系统

2.3 气体进样系统

2.4 激光器系统

2.5 探测系统及实验信号处理

2.6 速度影像谱仪成像测试

本章小结

3 激光-气体作用区域对速度影像分辨率的影响机制研究

3.1 研究背景介绍

3.2 模拟结果

3.3 关于影响机制的讨论

本章小结

4 色散补偿速度影像技术

4.1 背景介绍

4.2 色散补偿VMI概述

4.3 模拟结果和比较

讨论和小结

5 消球差速度影像技术

5.1 背景介绍

5.2 模拟结果

5.3 实验验证

讨论与小结

6 多光子电离的选择性共振增强

6.1 研究背景

6.2 实验设置

6.3 实验结果及讨论

本章小结

7 总结与展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的主要论文

附录2 攻读博士学位期间发表的发明专利