物理所飞秒激光场原子分子动力学研究取得新进展

　　原子或分子在强激光场中会发生电离，电离电子在激光场的驱动下有机会返回母离子并与其发生碰撞，由此产生一系列的强场效应：当电子碰撞并与母离子再结合时，它辐射高次谐波光子；当电子与母离子发生弹性碰撞时，它将从激光场中吸收更多的光子发生高阶阈上电离；当电子与母离子发生非弹性碰撞时，母离子中的其它电子将被激发或电离，即发生双电子或多电子非序列电离。所有这些强场效应随着激光技术的迅速发展，特别是飞秒量级的超短强激光脉冲的实现，已经发展成为强场新学科——强场重碰动力学。

　　中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）光物理重点实验室王兵兵副研究员、傅盘铭研究员及其合作者发展了非微扰量子电动力学（QED）理论处理强场中电离电子的重碰过程。他们利用该理论成功处理了高次谐波产生过程和高阶阈值上电离过程，并且建立了时间积分理论与频域跃迁理论的对应关系。相关工作发表在Phys. Rev. A【64, 063401 (2001) 和 75, 063419 (2007)】上。最近，他们又发展该理论以处理分子在强激光场中的电离过程，成功阐明了分子角分辨电子能谱中相干条纹的产生机制。相关结果发表在Phys. Rev. A【80, 063408 (2009)】上。

　　另外，王兵兵又与中科院武汉物理与数学研究所及北京应用物理与计算数学研究所等相关研究小组密切合作，开展了基于随机取向分子的超快分子结构成像方面的探索研究。强飞秒激光诱导产生的电离电子束具有超高时间（亚飞秒尺度）和空间（亚埃尺度）分辨特征，是一种探测原子分子内部结构及超快动力学演化的有力工具。原子分子在强飞秒激光场中的高阶阈上电离现象由电离电子与母核发生弹性碰撞引起，由于电离电子携带了初始原子分子结构信息，因此可以利用高阶阈上电离引起的电子能量及角分布探测原子分子的结构及超快动力学演化。然而，到目前为止，人们普遍认为对分子结构的超快成像研究只有在对分子体系进行准直后才能有效开展，分子准直技术的要求则制约了相关实验研究工作的进展。

　　他们通过实验测量随机取向的双原子分子体系（氮气和氧气）与强飞秒激光相互作用引起的高能光电子角分布，发现氮气分子和氧气分子发射的高能电子的角分布具有不同宽度。通过进一步理论分析，阐明了氧气和氮气分子电子角分布出现的不同宽度实际上反映了分子基态波函数对电子发射行为的影响。该研究工作表明，即便对于随机取向的双原子分子，也可以利用它在强飞秒激光场中的电离现象来获取分子结构信息，为分子结构及动力学超快成像研究提供了新思路。相关研究结果发表在近期Phys. Rev. Lett.【104, 203001(2010)】上。

　　相关研究得到了国家自然科学基金和973项目的支持。 

　　图1. 不同分子和原子的角分辨电子能量密度分布

　　图2.不同分子取向下的电子角分布。实线为量子计算结果，划线为半经典计算结果