Содержание
Введение....................................................................... 4
Глава 1. Литературный обзор.............................................. 7
1.1. Динамика молекулярных систем в поле ультракоротких лазерных импульсов 7
1.2. Вынужденное тормозное поглощение и испускание в интенсивных ультракоротких лазерных импульсах............................................ 11
1.3. Взаимодействие атомно-молекулярных систем с неклассическими состояниями света................................................................... 15
1.4. Эффекты сильного поля в системе двух эффективно взаимодействующих ридберговских атомов....................................................... 18
Глава 2. Квантовый контроль динамики молекулярных систем в иоле ультракоротких лазерных импульсов и роль интерференционных эффектов при перерассеянии электронного волнового пакета на родительском ионе. 21
2.1. Аналитическое решение................................................ 22
2.2. Результаты и обсуждение.............................................. 24
2.2.1. I и 11 борцовское приближение для рассеяния электрона в виде плоской волны............................................................. 24
2.2.2. Борцовское приближение для пространственно локализованного электронного волнового пакета............................................. 26
2.2.3. Интерференционные эффекты...................................... 27
2.2.4. Сравнение с результатами численного счета...................... 31
Глава 3. Особенности Вынужденного Тормозного Эффекта (ВТЭ), обусловленные широким импульсным распределением рассеивающегося электрона и ультракороткой длительностью лазерного воздействия................. 36
3.1. Аналитическое решение................................................ 37
3.2. Нагрев электрона за счет ВТЭ в случае «медленного» рассеяния (Т8С<м ^ Тш) 40
3.3. Случай “быстрого” рассеяния (Тісаи < Тш) и формирование высокоэиерге-тического плато в спектрах фотоэлектронов за счет ВТЭ.......................48
2
3.4. Обобщение теории ВТЭ на случай взаимодействия с ультракоротким лазерным импульсом................................................................. 56
3.4.1. Рассеяние электрона с точно определенным начальным импульсом . 57
3.4.2. Рассеяние волнового пакета в ультракоротком лазерном импульсе . 59
Глава 4. ВТЭ в квантованном электромагнитном поле ........................ 64
4.1. Аналитическое решение................................................... 64
4.2. Результаты и обсуждение................................................. 68
4.2.1. Вынужденный тормозной эффект в когерентном состоянии поля (полуклассический предел)............................................... 68
4.2.2. Вынужденный тормозной эффект в неклассическом поле................ 72
4.2.3. Многофотонный эффект Маркуза в неклассическом иоле................ 78
Глава 5. Интерференционная стабилизация и квантовые корреляции в системе двух взаимодействующих ридберговских атомов в сильном лазерном иоле................................................................... 85
5.1. Аналитическая модель.................................................... 85
5.2. Квазиэнергетические состояния и динамика исследуемой системы............ 87
5.2.1. Случай сильного ноля.............................................. 88
5.2.2. Квазиэнергии с учетом взаимодействия.............................. 89
5.3. Перепутывание в системе двух ридберговских атомов....................... 91
Литература....................................................................... 99
3
Введение
Одно из актуальных направлений современной лазерной физики - генерация мощных ультракоротких лазерных импульсов и их взаимодействие с атомными и наноструктурными системами. На данный момент возможна генерация лазерных импульсов с рекордной длительностью, порядка нескольких оптических циклов лазерного поля и при этом с интенсивностью превосходящей атомную (до 1()20 Вг/см2). Интересным применением для таких
также существенным образом определяют динамику связанной двухатомной системы в сильном лазерном поле и приводят к режиму стабилизации относительно процесса ионизации.
Когерентные квантовые эффекты и возможность их проявления приводит к значительному изменению конечных пространственных распределений и спектров и отвечает за новые механизмы нагрева в наноструктурах и нанокластерах. Но возникающим в следствие когерентности процессов интерференционным картинам оказывается возможным получение информации об исследуемой системе, в том числе, восстановление формы электронного волнового пакета. Кроме того, с помощью обратной связи можно осуществлять управление характеристиками системы, управляя параметрами лазерного поля.
Использование существенно неклассических полей, характеризующихся широким распределением по числу фотонов, является крайне эффективным для стимуляции процессов передачи энергии поля к квантовой системе и также приводит к увеличению числа высо-коэнергетичных электронов в кластерах и различных наноструктурах.
Диссертация состоит из пяти глав. Глава 1 содержит обзор литературы, посвященной задачам, которые рассматриваются в диссертации. В главе 2 решается задача о пе-рерассеянии широкого в импульсном представлении электронного волнового пакета на родительском молекулярном ионе и исследуется возникающая интерференция в угловых распределения электрона, содержащая информацию о молекулярной динамике и электронном волновом пакете. В главе 3 получено решение задачи о рассеянии электронных волновых пакетов в присутствии классического лазерного поля, в том числе ультракороткой длительности и обнаружен новый механизм эффективного нагрева электронов в кластерах в процессе ионизации ультракоротким лазерным импульсом, обусловленный интерференцией различных каналов вынужденного тормозного поглощения и испускания. Глава 4 посвящена обобщению вынужденного тормозного эффекта и эффекта Маркуза на случай взаимодействия с неклассическими состояниями электромагнитного ноля, причем наибольший интерес представляет случай взаимодействия с состоянием «сжатого вакуума». В этом случае также обнаружено увеличение числа высокоэнергегичных электронов за счет эффективного обменазнергией между электронной и полевой подсистемами. Кроме того продемонстрирована возможность усиления поля независимо от ориентации начального импульса электрона, то есть даже в системах типа плазмы, когда импульсы электронов описываются некоторой функцией распределения. В главе 5 решена задача о
динамике двух взаимодействующих друг с другом ридберговских атомов в сильном лазерном поле, обнаружен режим интерференционного подавления ионизации в такой системе, а также проанализирована возможность лазерного управления такими связанными атомными кубитами, создания и экспериментального наблюдения перепутанных состояний в такой системе.
Полученные результаты имеют фундаментальную научную значимость с точки зрения выявления новых эффектов, которые впервые позволили объяснить результаты численных и физических экспериментов и выявить новые возможные подходы к описанию процессов взаимодействия атомно-молекулярных систем с интенсивными ультракороткими лазерными импульсами. Полученные результаты имеют принципиальную важность для осуществления лазерного контроля и управления динамикой молекулярных систем с фемтосекундным временным и субаигстремным пространственным разрешением. Кроме того, представленные в диссертации результаты позволили объяснить возникновение электронов высоких энергий при ионизации наноструктур интенсивными лазерными импульсами. Обнаруженный эффективный нагрев кластеров и наномишеней сильным полем представляет большой интерес для проблемы управляемого термоядерного синтеза и ряда других практических приложений. Еще одним из методов увеличения эффективности обмена энергией между электронной подсистемой и нолем, предложенных в диссертации, является использование неклассических «сжатых» световых полей. Также в диссертации предложены практические методы создания и экспериментального наблюдения перепутанных состояний в связанных многочастичных системах.
Личный вклад автора в работы, вошедшие в диссертацию, является определяющим при разработке теоретических моделей, аналитического и численного анализа и интерпретации полученных результатов.
Основные результаты диссертации доклады вались и обсуждались на семинарах отдела микроэлектроники НИИЯФ МГУ, семинара по физике многофотонных процессов ИОФ РАН (руководитель - проф. М.В. Федоров). Основные положения и результаты диссертации были представлены на 15 международных конференциях и симпозиумах.
По материалам диссертации опубликовано 26 печатных работ, в том числе 8 статей в реферируемых российских и зарубежных журналах [1-8] и 18 тезисов докладов на международных конференциях [9-26].
6
Глава 1
Литературный обзор
1.1. Динамика молекулярных систем в поле ультракоротких лазерных импульсов
Быстрый прогресс в развитии источников мощною лазерного излучения привел к возможности генерации интенсивных лазерных импульсов предельно короткой длительности в несколько периодов оптического ноля [27]. Такие импульсы могут быть использованы для наблюдения и контроля динамики атомно-молекулярных квантовых систем и различных физических процессов с высоким временным и пространственным разрешением [28-35]. Одно из возможных направлений получения в реальном времени информации о структуре и динамике ядерной подсистемы в молекулах заключается в наблюдении картин дифракции, возникающих при ионизации молекулы интенсивным ультракоротким лазерным импульсом и проявляющихся в импульсных распределениях электронов в континууме [36, 37], в электронных энергетических спектрах надпороговой ионизации [38], а также в спектре генерации гармоник высокого порядка [39-41]. Возникновение дифракционных картин обусловлено тем, что при ионизации молекулы лазерным импульсом оказавшийся в континууме электрон осциллирует под действием лазерного поля и, возвращаясь к родительскому молекулярному иону, рассеивается на нем. Такое рассмотрение процесса ионизации было впервые предложено в [42] и известно как модель перерассеяния, которая применима как к молекулам, так и к атомам при ионизации низкочастотным лазерным полем. В случае молекул имеет место перерассеяние, по крайней мере, на двуямиом потенциале двух ядер, что и приводит к наличию дифракционных максимумов и минимумов в энергетических спектрах фотоэлектронов и угловых диаграммах их вылета.
В процессе ионизации рассматриваемой молекулярной системы в континууме происходит формирование электронного волнового пакета, который начинает осциллировать в лазерном поле подобно свободному электрону и может вернуться назад и персрассеяться на родительском молекулярном ионе. При рассеянии электронного волнового пакета на молекулярной системе могут возникнуть различные дифракционные и интерференционные эффекты, несущие информацию о межъядерном расстоянии и ориентации молекулы в пространстве. В работах [30, 31] предпринята попытка воспроизведения динамики ядерной
7
подсистемы молекулярного иона О2 но энергетическим распределениям £)+, образовавшихся в следствие неупругого перерассеяния электрона на родительском молекулярном ионе. В работах [38-40] рассмотрены интерференционные особенности, которые приводят к возникновению дифракционных минимумов в спектре высоких гармоник и спектре фотоэлектронов. При этом положение этих минимумов, содержащее информацию о ядерной подсистеме молекулы, характеризовалось в этих работах в соответствие с картиной дифракции на двух щелях.
Еще один подход основан на наблюдении дифракционных картин, возникающих в пространственных или импульсных распределениях электронов. Такие распределения, полученные при перерассеянии электрона на родительском молекулярном ноне, содержат информацию о межъядерном расстоянии и ориентации молекулы. В одной из первых работ (36], посвященных такому подход)', было получено точное численное решение нестационарного уравнения Шредингера (НУШ). Обнаружена дифракционная картина в двумерном спектральном распределении (в координатах рх, ру), содержащая информацию о структуре молекулы. При этом был отмечен целый ряд паразитных эффектов, которые приводят к большим трудностям при извлечении информации о межъядерном расстоянии и пространственной ориентации молекулы. Одним из таких эффектов отмечена, так называемая, “голографическая” интерференция волн в пакете при перерассеянии, заключающаяся в интерференции прошедшей и рассеянной на тот же угол волнами. Однако, количественного описания этого эффекта дано не было. Более того, поскольку отмеченный эффект интерференции превалировал в большей части распределения, эффекты дифракции на двух ядрах проявлялись на уровне, малом даже в логарифмических масштабах.
Хотя проблеме анализа наблюдаемых дифракционных картин посвящено большое число работ [28, 29, 36-40, 43-46], целый ряд вопросов остается открытым. Картина дифракции, возникающая при перерассеянии электрона на двухцентровом потенциале родительского молекулярного иона с межъядерным расстоянием Я, в простейшем случае эквивалентна дифракции света на двух щелях или интерференции от двух точечных источников. При этом, рассматривая рассеяние электрона на родительском ионе как упругое, в борновском приближении [47] можно показать, что угловые положения минимумов дифференциального сечения рассеяния определяются из условий:
Я5ш(0) = (д+ 1/2)А и Л[1 - соэ^)] = (7г+ 1/2)А, (1.1)
8
Здесь в - угол рассеяния, R - межъядсрное расстояние в молекуле, Л - де Бройлевская длина волны рассеивающегося электрона. Приведенные выражения получены для перпендикулярной и параллельной ориентации оси молекулы по отношению к направлению движения электрона соответственно. Отметим, что в модели упругого рассеяния электрона на родительском ионе условия минимумов в точности совпадают с результатами задачи дифракции на двух щелях, в то время как положения максимумов имеют отличия из-за наличия угловой зависимости дифференциального сечения рассеяния в случае одного потенциального центра |47|. Таким образом, необходимость характеризовать возникающую дифракционную картину по положению минимумов приводит к сложностям в случае наблюдения в реальном эксперименте. Более того, для корректного определения мгновенного значения межъядерного расстояния из условия минимумов (1.1) необходимо с высокой точностью знать длину волны де Бройля перерассеивающегося электрона. Однако, в случае ионизации атомно-молекулярной системы лазерным импульсом фемтосекундной длительности, возникающий в континууме электрон представляет собой волновой пакет, существенно отличающийся от плоской волны с определенным значением волнового вектора и характеризующийся достаточно широким импульсным распределением. Вопрос о величине Л, входящей в условия (1.1) и позволяющей интерпретировать наблюдаемые картины дифракции и их эволюцию во времени неоднократно обсуждался в [28, 29, 39, 40]. Однако, выход за рамки приближения плоской волны и учет распределения электронов в континууме по волновым векторам не были предприняты.
Еще одной важной особенностью взаимодействия атомно-молекулярных систем с ультракоротким лазерным импульсом является высокая когерентность процесса, включая процесс персрассеяния. Это приводит к невозможности в общем any чае отделить каналы прямой ионизации и перерасссяния при экспериментальном наблюдении, а также к проявлению интерференции указанных каналов в динамике ионизации лазерным импульсом. Кроме того, с учетом достаточно широкого импульсного распределения электрона в континууме, перерассеивающегося на родительском ионе, оказывается возможна интерференция плоских волн, входящих в электронный волновой пакет и не испытавших рассеяния, с волнами, отклоненными в процессе рассеяния в том же направлении. Указанный интерференционный эффект, обусловленный невозможностью отделить нерассеянный и рассеянный электронный волновой пакет друг от друга, имеет принципиальное значение и может существенным образом повлиять на угловое и энергетическое распределения элек-
9
- Київ+380960830922