Непертурбативные методы в теории нелинейной ионизации и генерации высоких гармоник в интенсивном лазерном поле

• Автор: Попруженко, Сергей Васильевич
• Шифр специальности: 01.04.02
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 145 с. : ил.

Оглавление
Введение
1 Двойная ионизация атомов в интенсивном лазерном поле
1.1 Основные уравнения.
Общие выражения для импульсных распределений
1.2 Импульсные распределения
1.3 Роль электрон-электронного взаимодействия
1.4 Итоговые замечания к Главе I
2 Траектории с большим временем жизни в надпороговой и двойной ионизации
2.1 Когерентное сложение амплитуд и закрытие каналов многофотонной ионизации
2.2 Траектории с большим временем жизни в эллиптически поляризованном поле
2.2.1 Полуклассическая модель двойной ионизации
2.2.2 Обсуждение результатов
2.3 Итоговые замечания к Главе II
3 Нелинейная ионизация в системах с кулоновским взаимодействием
3.1 Краткий исторический обзор
3.2 Амплитуда многоквантовой ионизации для систем с кулоновским взаимодействием
3.2.1 Амплитуда ионизации в приближении Келдыша и метод мнимого
времени
3.2.2 Кулоновские поправки
3.3 Примеры применения метода
3.3.1 Асимметрия угловых распределений в эллиптически поляризованном

3.3.2 Интерференционная структура спектра
3.3.3 Кулоновская поправка С}о
3.3.4 Вероятность многоквантовой ионизации атомов в поле произвольной
частоты
3.4 Итоговые замечания к Главе III

4 Излучение высоких гармоник фуллереном Сбо в интенсивном лазерном поле
4.1 Постановка задачи и результаты численного моделирования
4.2 Возбуждение поверхностного и объемного плазмонов электронным ударом .
4.3 Итоговые замечания к Главе IV
Заключение
Литература

Введение
Настоящая диссертация основана на результатах, полученных автором в ходе исследования четырех задач, относящихся к физике взаимодействия интенсивного электромагнитного излучения с веществом. Содержание этих задач можно сформулировать следующим образом: коррелированная двойная ионизация атомов полем сильной электромагнитной волны; пороговые явления в спектрах однократной и двойной ионизации в интенсивном лазерном поле; кулоновские эффекты при нелинейной фотоионизации атомов и ионов; излучение гармоник сильной электромагнитной волны фуллереном Cgo-
С физической точки зрения перечисленные проблемы объединены, в первую очередь, тем, что относятся к явлениям, возникающим при взаимодействии атомов (или более сложных микросистем, как, например, молекулы, кластеры или фуллерены) с электромагнитным излучением высокой, интенсивности, которое в современных лабораторных условиях получается при помощи мощных лазеров. Ниже мы всюду будем иметь ввиду, что речь идет именно о лазерном излучении, обладающем высокой степенью когерентности, так что электромагнитное поле всегда можно считать классическим. Современные лазерные установки позволяют получать электромагнитные импульсы, интенсивность которых достигает 1022Вт/см2 [1]. В таких полях напряженность электромагнитного поля почти на три порядка превышает атомную, а движение электрона становится ультрарелятивистским. В настоящее время существуют технически обоснованные проекты [2] создания новых лазеров, обещающие увеличение максимальной интенсивности еще на несколько порядков, вплоть до величии, соответствующих критическому полю квантовой электродинамики, £cr = т2(?/eh « 1016В/см.
Однако в физике взаимодействия лазерного излучения с веществом электромагнитное поле считается сильным уже при интенсивностях, значительно меньших, чем указанные выше рекордные значения. Как правило, сильными считаются поля, взаимодействие которых с веществом существенно нелинейно. В случае переменных во времени лазерных полей нелинейность означает, что в каждом акте взаимодействия участвует несколько или даже много квантов излучения. Поэтому неудивительно что один из наиболее распространенных синонимов физики взаимодействия интенсивного лазерного излучения с веществом - физика многофотонных процессов, многофотоника. При взаимодействии с атомами, молекулами, кластерами и т.п. многофотонные эффекты начинают играть важную роль уже при интенсивностях 1013 — 1014Вт/см2, иногда даже раньше. Примерно от этих значений и принято отсчитывать границу физики сильных полей.
Все четыре задачи, рассмотренные в диссертации, связаны с явлением нелинейной фотоионизации и близко относящимся к ионизации эффектом генерации высоких гармоник лазерного излучения. Среди многофотонных эффектов, наблюдающихся при взаимодействии интенсивных электромагнитных полей с веществом, нелинейная или, как ее еще

амплитуды ударной ионизации (1.13). В итоге простые формулы (1.16) и (1.17) оказываются практически применимыми во всей существенной области импульсного пространства.
Оказывается, что распределение (1.16) может быть переписано виде, позволяющем установить его связь с результатами полуклассических моделей двойной ионизации [18]. Для этого, во-первых, следует отбросить интерференционное слагаемое и, во-вторых, перейти к новым переменным:
(Р, я) -> {<р0, п(^1), я), п(<щ) = • (1.20)
|Вр(¥>1)|
Смысл новых переменных следующий: это момент ионизации и направление мгновенной скорости электронной пары сразу после удара. Для квантовомеханического расчета эти переменные неудобны, так как не являются наблюдаемыми, но полуклассическая модель оперирует именно ими. Используя якобиан преобразования (1.20)
сРР 2[ПрЫ|
(Шп&ро |Пи(И1)Ы||1>[р$. ’ 1 ;
можем записать распределение (1.16) в виде:
= А7^)(ПР(У1), Ч;Пк(ыЫ)|у[^у, (1-22)

йст^Х Р, д; к) = ^-^|Л^2е>(Р, Ч; к)|2сгПпСг3д (1.23)
сечение ударной ионизации, амплитуда которой дается выражением (1.13), а - скорость, (вероятность в единицу времени) ионизации в статическом поле, мгновенная напряженность которого равна £{<ро)-
Уравнение (1.22) в точности воспроизводит результат полуклассической модели [18] и, таким образом, дает обоснование последней и указывает пределы ее применимости. В этой связи отметим два важных обстоятельства. Во-первых, аргументы сечения (1.23) - мгновенные значения кинематических импульсов электронов в момент возврата, когда происходит выбивание второго электрона, что допускает наглядную физическую интерпретацию: в туннельном режиме амплитуда колебаний электрона в поле велика, и динамика электрон-электронного взаимодействия определяется мгновенными скоростями. Если бы мы выполнили вычисления в калибровке скорости, в которой волковская волновая
функция дается выражением (1), вместо кинематических импульсов в сечении присут-
ствовали бы дрейфовые, что, но крайней мере в туннельном режиме, явно неверно. Здесь мы сталкиваемся с одним из примеров калибровочной неинвариантности в теории многофотонных процессов в интенсивном лазерном поле. Во многих случаях использование калибровки длины приводит к более достоверным результатам [129,130]; так оказалось и в рассматриваемом случае.
Во-вторых, распределение, представленное в виде (1.22), можно обобщить на случай, когда борновское приближение неприменимо, просто используя точное или другое приближенное сечение вместо борновского. Конечно, строго обосновать такое обобщение нельзя,