强激光场中的原子

当激光场的强度与原子中束缚电子的场强度相当时，微扰理论失效，并出现非微扰过程，例如阈上电离和高次谐波产生。

Definition

强激光场中的原子是研究当激光的振荡电场强度足够高，使得原子的响应是非微扰的，从而在光学周期内场显著扭曲或抑制束缚库仑势时，原子的电离和发射。

Scope

本主题涵盖了强激光场中原子的行为：以Keldysh参数为特征的多光子电离到隧穿电离的转变，电子吸收比电离所需光子更多的阈上电离，三步再碰撞模型，以及产生相干极紫外和阿秒脉冲的高次谐波产生。它涉及激光场与内部库仑场相当的区域。

Core questions

• 激光-原子相互作用何时不再能用微扰理论描述？
• 多光子电离与隧穿电离有何区别？
• 电子返回其母离子如何产生高次谐波？
• 强场过程如何产生阿秒光脉冲？

Key concepts

• Keldysh参数
• 多光子电离
• 隧穿电离
• 阈上电离
• 三步再碰撞模型
• 高次谐波和阿秒脉冲产生

Key theories

Keldysh强场电离理论

Keldysh引入了一个参数，比较激光频率与隧穿速率，将电离通过吸收多个光子进行的多光子区域与场足以弯曲势垒使电子隧穿出去的隧穿区域区分开来。

三步再碰撞模型

Corkum的模型将强场发射描述为隧穿电离、自由电子在激光场中的加速以及与母离子的再碰撞，再碰撞可以复合发射高能光子，从而产生高次谐波。

Clinical relevance

强场过程是阿秒科学的基础：高次谐波产生提供相干的极紫外和阿秒光源，用于拍摄物质中的电子运动，而强场电离是激光成丝、强激光加工和诊断的基础。

History

Keldysh于1965年提出的理论在强激光器出现之前就构建了强场电离的框架，而当时还没有强激光器来验证它。随着激光器在20世纪70年代和80年代变得更加强大，多光子和阈上电离被观察到；高次谐波产生，由Corkum于1993年提出的再碰撞模型解释，随后开启了阿秒科学，并因此获得了2023年诺贝尔物理学奖的认可。

Key figures

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

Seminal works

• keldysh1965
• corkum1993
• krausz2009

Frequently asked questions

Keldysh参数说明了什么？

Keldysh参数比较了电子隧穿通过被抑制的势垒所需的时间与激光的光学周期。远大于1的值表示多光子区域，而远小于1的值表示隧穿区域。

强场物理学如何产生阿秒脉冲？

在高次谐波产生中，电子在每个光学半周期与母离子再碰撞一次，发射出极紫外光爆发。结合多个谐波产生仅持续阿秒的脉冲，其短到足以分辨电子动力学。