Атомы в сильных лазерных полях

Когда напряженность лазерного поля становится сопоставимой с напряженностью полей, удерживающих электроны в атоме, теория возмущений перестает быть применимой, и возникают непертурбативные процессы, такие как надпороговая ионизация и генерация высоких гармоник.

Definition

Изучение атомов в сильных лазерных полях — это исследование атомной ионизации и эмиссии, когда осциллирующее электрическое поле лазера достаточно интенсивно, чтобы отклик атома был непертурбативным, так что поле существенно искажает или подавляет связывающий кулоновский потенциал в течение оптического цикла.

Scope

Эта тема охватывает поведение атомов в интенсивных лазерных полях: переход от многофотонной к туннельной ионизации, характеризуемый параметром Келдыша; надпороговую ионизацию, при которой электрон поглощает больше фотонов, чем необходимо для ионизации; трехступенчатую модель реколлизии; и генерацию высоких гармоник, которая производит когерентные импульсы в крайнем ультрафиолетовом диапазоне и аттосекундные импульсы. Рассматривается режим, когда лазерное поле конкурирует с внутренним кулоновским полем.

Core questions

• Когда взаимодействие лазера с атомом перестает описываться теорией возмущений?
• Что отличает многофотонную ионизацию от туннельной ионизации?
• Как электрон, возвращающийся к своему родительскому иону, генерирует высокие гармоники?
• Как процессы сильного поля производят аттосекундные импульсы света?

Key concepts

• Параметр Келдыша
• Многофотонная ионизация
• Туннельная ионизация
• Надпороговая ионизация
• Трехступенчатая модель реколлизии
• Генерация высоких гармоник и аттосекундных импульсов

Key theories

Теория Келдыша об ионизации в сильном поле

Келдыш ввел параметр, сравнивающий частоту лазера со скоростью туннелирования, разделяя многофотонный режим, где ионизация происходит путем поглощения множества фотонов, от туннельного режима, где поле достаточно сильно изгибает потенциальный барьер, чтобы электрон мог туннелировать.

Трехступенчатая модель реколлизии

Модель Коркума описывает эмиссию в сильном поле как туннельную ионизацию, ускорение освобожденного электрона в лазерном поле и реколлизию с родительским ионом, которая может привести к рекомбинации с испусканием высокоэнергетического фотона и, таким образом, к генерации высоких гармоник.

Clinical relevance

Процессы сильного поля являются основой аттосекундной науки: генерация высоких гармоник обеспечивает когерентные источники света в крайнем ультрафиолетовом диапазоне и аттосекундные источники света, используемые для регистрации движения электронов в веществе, а ионизация в сильном поле лежит в основе лазерной филаментации, а также интенсивной лазерной обработки и диагностики.

History

Теория Келдыша 1965 года сформулировала основы ионизации в сильном поле еще до появления интенсивных лазеров, способных ее проверить. Многофотонная и надпороговая ионизация наблюдались по мере увеличения мощности лазеров в 1970-х и 1980-х годах; затем генерация высоких гармоник, объясненная моделью реколлизии Коркума 1993 года, открыла аттосекундную науку, что было отмечено Нобелевской премией по физике 2023 года.

Key figures

• Leonid Keldysh
• Paul Corkum
• Anne L'Huillier
• Ferenc Krausz

Seminal works

• keldysh1965
• corkum1993
• krausz2009

Frequently asked questions

Что показывает параметр Келдыша?

Параметр Келдыша сравнивает время, которое потребовалось бы электрону для туннелирования через подавленный барьер, с оптическим периодом лазера. Значение, значительно превышающее единицу, указывает на многофотонный режим, тогда как значение, значительно меньшее единицы, указывает на туннельный режим.

Как физика сильных полей создает аттосекундные импульсы?

При генерации высоких гармоник электроны реколлидируют со своими родительскими ионами один раз за каждый оптический полупериод, испуская вспышки света в крайнем ультрафиолетовом диапазоне. Объединение множества гармоник производит импульсы длительностью всего аттосекунды, достаточно короткие для разрешения динамики электронов.