一种阿秒量级原子分子超快动力过程的探测方法

摘要

本发明提供了一种阿秒量级原子分子超快动力过程的探测方法，将两束偏振方向正交频率不同的线性偏振光聚焦到气体介质，调节两束光的相对相位，测量不同相对相位下的原子或分子由于双电离而产生的电子和/或离子动量，根据电子和/或离子动量信息获知超快动力过程。本发明对延迟时间的控制精度高，相对相位每改变0.1π，延迟时间的改变量可小于200阿秒，实现对强场与原子分子相互作用的超快动力学过程阿秒量级的实时探测。

说明书

技术领域

本发明涉及强场激光与原子或分子相互作用领域，特别涉及一种能实现阿秒量级的原子分子超快动力过程的探测方法。

背景技术

随着量子力学的发展，人们对于原子分子的结构静态结构，比如说原子能级，分子轨道等已经有了比较深入的认识。但是对于原子分子的动力过程的认识，特别是在强场激光中的超快动力过程，还很不清楚。比如强场电离过程中的电子空缺变化，解离过程中的电子局域化分布，以及分子核的运动过程等等。对这些超快动力过程的探测是目前的前沿科学之一。

线性偏振的强场激光与原子或分子作用而电离的电子可以以一定的概率返回，与母离子发生碰撞。这些返回来的电子就叫做回复电子。这些回复电子与母离子发生碰撞时，会携带母离子的一些信息。这些信息可能包含在被弹性散射的电子中，或是包含在由于碰撞复合而产生的光子中，或是包含由于碰撞而导致的解离或双电离而产生的离子或电子中。由于碰撞电子具有与母离子接触深、高密度，持续时间短等优点，近年来回复电子与母离子的碰撞被广泛用于探测强场作用下的超快动力过程。

2003年，H.Niikura等人在《自然》上的一篇文章中提出了分子钟的概念，其工作原理是这样的：在强场激光的作用下氢分子(或氘分子)发生单电离，单电离的电子(即第一个电子)在电场中加速并且有一部分电子被拉回来与离子发生碰撞，将第二个电子激发。这样被激发的体系很不稳定，会发生解离。通过测量解离的碎片的动量或能量，就可以获得碰撞时刻分子中核的距离。这样，如果知道分子第一个电子电离后核的运动过程，根据碎片即电子或离子的能量而得到的核间距，从而可以推测出碰撞发生的时间。同样，如果可以控制碰撞时间，那么通过测量碎片的能量可以获得不同时间所对应的核间距信息，从而获得核运动过程的动态信息。分子钟的工作原理与传统的泵浦-探测实验相似，要获得分子核运动过程动态信息，需要控制泵浦-探测的延迟时间。在分子钟中，这个延迟时间就是碰撞时间与第一个电子电离的时间差。在线性偏振的单色场中，这个时间差是由激光波长决定的。所以，在以前的实验中，是通过改变激光场的波长来改变延迟时间的。但是，在实验上，要改变激光波长不是一件容易的事情，特别是实验上不能够实现波长的连续变化。这样时间延迟不能连续变化，从而影响实时探测分子动力过程的精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阿秒量级原子分子超快动力过程的探测方法，通过对碰撞时间的更高精度控制实现对原子分子超快动力过程的更高精度探测。

一种阿秒量级原子分子超快动力过程的探测方法，将两束偏振方向正交频率不同的线性偏振光聚焦到气体介质，调节两束光的相对相位，测量不同相对相位下的原子或分子由于双电离而产生的电子和/或离子动量，根据电子和/或离子动量信息获知超快动力学过程。

作为进一步优化，所述两束线性偏振光的波长比为1∶2。

本发明提供了一种控制延迟时间的新方法。这种方法对延迟时间的控制精度非常高，相对相位每改变0.1π，延迟时间的改变量可小于200阿秒。从而，可实现对强场与原子分子相互作用的超快动力学过程阿秒量级的实时探测。对于氢原子超快动力学过程的探测，如果采用频率之比为1∶2，强度相同的正交线性偏振光，其精度可达到200阿秒以上。

附图说明

图1为实例一工作原理图；

图2为实例一中正交双色场对时间延迟控制的物理过程示意图；

图3为实例一碰撞与单电离之间的延迟时间示意图。其中图3a为800+400纳米的正交场作用下的延迟时间，图3b为1600+800纳米的正交场作用下的延迟时间。

图4为实例一正交双色场相对相位与“碰撞-单电离”的延迟时间的关系示意图，图4a对应的激光场为800+400纳米的正交场，图4b对应的激光场为1600+800纳米的正交场。

图5为正交双色场与氦原子作用，不同相对相位时双电离得到的相关电子动量谱。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明作具体说明。

实例1：正交双色场对氢气分子双电离碰撞时间的控制

如图1所示，采用的正交场为800nm+400nm，强度均为1.0×10¹⁴W/cm²；还采用1600nm+800nm的正交双色场，强度均为0.5×10¹⁴W/cm²。图2给出了控制过程的物理示意图，表示相对相位。实线为y方向的电场，虚线为合电场强度。在不同的相对相位时，合电场强度的峰值出现的时间不同。因此，第一个电子电离的时间不同。由于碰撞时间是第一个电子电离时间的函数，所以第一个电子电离时间的移动导致了碰撞时间的变化。因此通过调节正交双色场的相对相位，使第一个电子电离的时间发生很小的变化，再引起碰撞时间发生移动，从而导致延迟时间，或者称为渡越时间，即碰撞时间和第一个电子电离时间的时间差发生变化。图3给出了不同相对相位时，氢分子双电离过程中碰撞和第一个电子电离之间的时间延迟。图3a和图3b分别对应的是800nm+400nm和1600nm+800nm的双色场。图3说明正交双色场相对相位的改变，导致了延迟时间(渡越时间)的缓慢变化。因此，通过控制相对相位，就能控制延迟时间。通过测量不同相对相位下的离子动量(或能量)，根据E＝1/R可得到不同时刻的核间距R，从而获得核随时间的演化过程，即获知分子超快动力学过程。图4给出了相对相位每改变0.1π时，延迟时间的变化量。对于800nm+400nm的正交双色场，相对相位每改变0.1π，延迟时间的变化量可小于200阿秒。因此可以实现对延迟时间阿秒量级的控制，从而使得分子超快动力过程探测的精度达到200阿秒以上。结合800nm+400nm和1600nm+800nm这两种正交双色场，时间延迟可控范围为0.78飞秒到4.5飞秒。因此可以利用本发明提出的方案，在这个时间范围内(0.78～4.5飞秒)，实现对分子超快动力过程进行阿秒量级的实时探测。

实例2

利用正交双色场研究氦原子非次序双电离。采用的激光场是800nm+400nm的正交场，激光强度都为4.0×10¹⁴W/cm²。通过改变相对相位来控制碰撞时间，以研究不同时间的碰撞导致的双电离的电子对的关联特性。图5给出了不同相对相位时，双电离电子在800nm激光偏正方向的电子动量谱。可见，随着相对相位的增加，电子分布由第二、四象限向第一、三象限转移，说明电子关联特性由反关联向正关联变化。

实例3

本发明计算了不同波长比以及不同强度比的正交双色场对时间延迟的控制效果，如表一所示。当波长比为1∶1时，双电离信号弱，并且延迟时间不可控。当强度之比为2∶1，3∶1，4∶1时，相对相位每改变0.1π，时间的控制精度分别为160阿秒、200阿秒和220阿秒，所以，当波长比为2∶1时，对延迟时间的控制精度最高。改变激光强度比，发现当强度比为2∶1时，在很宽的时间范围内都有碰撞发生，没有达到精确控制延迟时间的目的，而当强度比为1∶2时，干扰信号太强，而当强度之比为1∶1时，控制效果最好。具体实例对比结果参见表1。

表1对比实例结果表