Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Исследование воздействия ультракоротких фотоимпульсов на легкие атомы с использованием интегралов по траекториям

Диссертация: Исследование воздействия ультракоротких фотоимпульсов на легкие атомы с использованием интегралов по траекториям
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Научная новизна. Предложены и апробированы оригинальные методики оценки вероятностей процессов фотоионизации и фотовозбуждения атомов. Для ряда значений параметров поля данные по вероятности фотоионизации и фотовозбуждения атома водорода и фотоионизации атома гелия коротким мощным фото-импульсом получены впервые. Практическая значимость. Диссертация носит теоретический. характер. Результаты… Читать ещё >

Исследование воздействия ультракоротких фотоимпульсов на легкие атомы с использованием интегралов по траекториям (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • Обзор современных методов
  • Глава I. Применение траекторных методов к задачам 11 атомной физики
    • 1. Представление вероятностей внутриатомных процессов 12 в виде фейнмановских интегралов по траекториям
    • 2. Способы оценки интеграла по траекториям
    • 1. Оценка методом перевала
    • 2. Оценка с использованием сочетания метода 25 стационарной фазы и метода Монте-Карло
  • Глава II. Фотоионизация и фотовозбуждение атома водорода
    • 1. Оценка вероятности фотовозбуждения атома водорода 31 из нестационарной теории возмущений и методом конечных элементов
    • 2. Оценка вероятности фотовозбуждения и фотоионизации 48 атома водорода траекторными методами
    • 1. Использование метода перевала
  • Фотовозбуждение
  • Фотоионизация
    • 2. Использование сочетания метода стационарной 63 фазы и метода Монте-Карло
  • Глава III. Фотоионизация атома гелия
    • 1. Общее рассмотрение
    • 2. Расчет с использованием оценки интеграла по траекториям на основе сочетания метода стационарной фазы и метода Монте-Карло

Актуальность работы. В последние десятилетия бурное развитие лазерной техники и освоение новых технологий привело к появлению источников интенсивного излучения, способных создавать на очень короткое время огромные электромагнитные поля в малом локализованном объеме. Одна из областей, где из-за мощного поля проявляются нелинейные эффекты, — взаимодействие мощного излучения с веществом. В случае ограничения излучения во времени появляется возможность регулировать влияние внешнего поля на вещество.

В значительной части эксперименты в этой области ставятся с использованием ультрамощных ультракоротковолновых лазеров мощностью в несколько петаватт, способных генерировать импульсы с пиковой мощностью в 1015 ватт. Длина импульса таких лазеров колеблется в районе фемтосекунд. Развитие импульсных лазеров идет в направлении увеличения пиковых значений генерируемого поля и уменьшения длительности импульса для создания условий для все более и более нелинейных процессов.

При рассмотрении процессов фотоионизации и фотовозбуждения атомов под действием ультракоротких мощных полей известно, что помимо хорошо известных из линейной оптики однофотонных процессов в атоме также идут нелинейные многофотонные процессы, для которых требуется особый подход при построении математических моделей, при этом из-за нарушений условий применимости вследствие либо больших, либо неадиабатических полей стандартные подходы часто оказываются неприменимы или требуют, существенных уточнений и изменений. Для описания процессов нелинейной оптики, таких как фотовозбуждение или фотоионизация в ультракоротком сверхмощном электромагнитном поле, разработаны разные теоретические методы, базирующиеся либо на интегральном уравнении для Б-матрицы или оператора эволюции, либо на нестационарном уравнении Шредингера, либо использующие фейнмановский принцип.

Разработка соответствующих методов особенно актуальна в силу сложности теоретического описания процессов, возникающих в случае воздействия мощного ультракороткого излучения на атомы, среди которых стоит отметить учет высоких порядков взаимодействия и учет влияния межэлектронных корреляций для многоэлектронных систем.

Цель работы. Цель работы состояла из двух связанных задач. Во-первых, развитие методов расчета вероятностей на основе использования фейнмановского интеграла по траекториям применительно к фотопроцессам с перспективой широкого практического применения для простого и эффективного решения подобных задач. В качестве перспективного подхода были протестированы две схемы оценки этих интегралов.

А во-вторых, расчет вероятностей процессов фотовозбуждения и фотоионизации атомов водорода и гелия коротким электромагнитным импульсом на основе развитой методики. Для реализации второй задачи были проведены следующие расчеты:

• оценки вероятности фотоионизации и фотовозбуждения атома водорода в зависимости от напряженности электромагнитного поля и его частоты.

• оценки фотоионизации (полной, однои двукратной) атома гелия при разных значениях поля и частоты ионизующего излучения.

Научная новизна. Предложены и апробированы оригинальные методики оценки вероятностей процессов фотоионизации и фотовозбуждения атомов. Для ряда значений параметров поля данные по вероятности фотоионизации и фотовозбуждения атома водорода и фотоионизации атома гелия коротким мощным фото-импульсом получены впервые.

Практическая значимость. Диссертация носит теоретический. характер. Результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы для оценки вероятностей процессов фотоионизации и фотовозбуждения атомов для широкого диапазона амплитуд и длительностей и частот импульсов поля, включая поля с большой напряженностью.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты.

1. Схема расчета вероятности внутриатомных переходов на основе использования оценки интеграла по траекториям методом перевала.

2. Схема расчета вероятности внутриатомных переходов на основе использования оценки интеграла по траекториям при сочетании метода стационарной фазы и метода Монте-Карло.

3. Результаты расчета вероятности переходов ls-2s, 2p и ионизации в атоме водорода под действием короткого электромагнитного импульса.

4. Результаты расчета вероятности однократной и двукратной ионизации атома гелия под действием короткого электромагнитного импульса.

Аппробация работы и публикации. По результатам работы опубликовано 5 статей: [2, 3, 13, 14, 42].

Результаты вошедших в диссертацию исследований представлены на.

— Молодежной конференции по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-Запада. 2009;

— Международной конференции по атомной, молекулярной физике и оптике (ICAMOP 2011, Venice, Italy).

— XXVII Международной конференции по физике фотонных, электронных и атомных столкновений (ICPEAC 2011, Belfast, UK).

— Конференции молодых ученых и аспирантов «1ЕФ'2011», Ужгород, 2011. На ней работа была удостоена диплома первой степени.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора методов, трех глав, заключения и списка литературы из 70 наименований. Ее объем составляет 91 страницу, 3 таблицы и 36 рисунков.

Заключение

.

Подводя итог, сформулируем основные результаты и выводы настоящей работы. .

Рассмотрены варианты оценки вероятности перехода в квантовой системе на основе интеграла по траекториям и применения к нему метода перевала, сочетания методов Монте-Карло и стационарной фазы.

С использованием рассмотренных методов в широком диапазоне параметров поля рассчитаны.

• вероятности возбуждения и ионизации атома водорода и.

• вероятности полной, однои двукратной ионизации атома гелия под действием фото-импульса.

Там, где возможно, проведено сравнение с другими работами, которое показало приемлемую точность наших расчетов. Таким образом, расчеты явились апробацией рассмотренных методик. Для ряда значений параметров поля данные получены впервые.

Сравнение наших методик между собой показало следующее.

Использование для оценки интеграла по траекториям метода перевала по всем переменным интегрирования оправдало себя применительно к расчету вероятности фотопроцессов в водороде под воздействием короткого фото-импульса без несущей частоты.

Выявлено, что наиболее эффективным и простым в реализации является подход, основанный на применении к интегралу по траекториям сочетания методов Монте-Карло и стационарной фазы, в случае конечных состояний с диагональной матрицей плотности.

Расчеты в гелии показали эффективность последнего подхода для многоэлектронной системы. Это позволяет решать сложную для большинства существующих методов проблему учета эффектов межэлектронных корреляций, а также высоких порядков взаимодействия.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Ф. А. Невинеровские континуальные интегралы. Теоретическая и математическая физика. 1971. Т. 6. № 2.
  2. А. Б., Митюрева А. А., Смирнов В. В. Оценка вероятностей перехода в атоме водорода при воздействии короткого электрического импульса на основе интеграла по траекториям. Опт. и спектр., 2011, т. 111, № 5, с. 796−800
  3. А. Б., Смирнов В. В. Оценка вероятности ионизации атома водорода под воздействием короткого фотоимпульса. Науковий вісник Ужгородського університету. Серія Фізика. 2011, Випуск 30, с. 260−267
  4. М., Ватсон К. Теория столкновений. М.: Мир, 1967.
  5. Л. Д. Лифшиц Е. М. Квантовая механика Нерелятивистская теория. М.: Наука 1989, т. 3.
  6. С. П., Фаддеев Л. Д. Квантовая теория рассеяния для систем нескольких частиц. М.: Наука, 1985.
  7. . В. С. Туннельная и многофотонная ионизация атомов и ионов в сильном лазерном поле (теория Келдыша). УФН, т. 174, № 9, с. 912−951
  8. В. В. Об одном траекторном способе оценки вероятности перехода в квантовой системе. Химическая Физика, 2012, т 31, № 4, с. 76−80
  9. И. И. Введение в теорию атомных спектров. М. «Наука», 1977.
  10. . С. Квантовая теория рассеяния. М.: «Мир», 1979. {Перевод с японского. Іуапаті 8Ьо1еп, 1977.}
  11. Ю By Т., Омура Т. Квантовая теория рассеяния. М.: Наука, 1969.
  12. Barna I. F. and Rost J. М. Photoionization of helium with ultrashort XUV laser pulses. Eur. Phys. J. D (2003) 272−8
  13. А. В., Mityureva A. A. and Smirnov V. V. Path-integral-based evaluation of the probability of hydrogen atom ionization by short photopulse. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 2011, v. 44, 135 601 (6pp)
  14. А. В., Mityureva A. A., Smirnov V. V. One scheme of transition probability evaluation. World Academy of Science, Engineering and Technology, 2011, issue 59, p. 930−933
  15. Birkeland Т., Nepstad R. and Forre M. Stabilization of Helium in Intense xuv Laser Fields. Phys. Rev. Lett., 104, 163 002 (4) (2010)
  16. Chernoff P. R. Note on product formulas for operator semigroups. J. Funct. Anal., v. 2, p. 238−242, 1968
  17. De Wijn A. S., Lein M. and Kummel S. Strong-field ionization in time-dependent density functional theory. EPL, 84 (2008) 43 001
  18. Dimitrovski D., Grozdanov T. P., Solov’ev E. A. and Briggs J. S. Ionization and excitation of the hydrogen atom by an electric pulse. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 36 (2003) 1351−1362.
  19. Dimitrovski D., Solov’ev E. A. and Briggs J. S. Ionization and Recombination in Intense, Short Electric Field Pulses. Phys. Rev. Lett., v. 93,83 003 (1−4) (2004).
  20. Dimitrovski D., Solov’ev E. A. and Briggs J. S. Ionization and recombination in attosecond electric field pulses. Phys. Rev. A. v. 72, 43 411 (1−11) (2005).
  21. Drake G. W. F. and Van Zong-Chao. Variational eigenvalues for the S states of helium. Chem. Phys. Lett., 1994, v. 229, p. 486−490
  22. Drescher M., Hentschel M., Kienberger R., Uiberacker M., Yakovlev V., Scrinzi A., Westerwalbesloh Th., Kleineberg U., Heinzmann U. and Krausz F. Time-resolved atomic inner-shell spectroscopy. Nature (London) 419, 803−807 (2002).
  23. Drescher M., Hentschel M., Kienberger R., Uiberacker M., Westerwalbesloh Th., Kleineberg U., Heinzmann U. and Krausz F. J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 137−140, 259 (2004).
  24. Emmanouilidou A. Prevalence of different double ionization pathways and traces of three-body interactions in strongly driven helium. Phys. Rev. A 83, 23 403 (6) (2011)
  25. Evgrafov M. A. Asymptotic estimates and entire functions. (New York, Gordon & Breach, 1962)
  26. Gavrila Mihai. Atomic stabilization in superintense laser fields. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 35, R147 (2002)
  27. Geltman. S. Short-time dynamics of static field excitation and ionization. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 33 4769−4777 (2000)
  28. Guo Jing, Yu Wei-Wei, Liu Xue-Shen. Double ionization of helium with classical ensemble simulations. Physics Letters A 372 (2008) 5799−5803
  29. Hasbani R., Cormier E. and Bachau H. Resonant and non-resonant ionization of helium by XUV ultrashort and intense laser pulses. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 33 (2000) 2101−2116
  30. Hentschel M., Kienberger R., Spielmann Ch., Reider G. A., Milosevic N., Brabec T., Corkum P., Heinzmann U., Drescher M. and Krausz F. Attosecond metrology. Nature (London) 414, 509−513 (2001).
  31. Kazansky A. K., Kabachnik N. M. Nonstationary theory for short-pulse near-threshold photoionization of inner atomic shells. Phys. Rev. A, 72, 52 714 (2005)
  32. Kazansky A. K., Kabachnik N. M. Non-stationary treatment of energy distribution of electrons in resonant double ionization of Ne by ultrashort pulses. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 39 (2006) L53-L60
  33. Kienberger R., Goulielmakis E., Uiberacker M., Baltuska A., Yakovlev V., Bammer F., Scrinzi A., Westerwalbesloh Th., Kleineberg U., Heinzmann U., Drescher M. and Krausz F. Atomic transient recorder. Nature (London) 427, 817−821 (2004).
  34. Kopold R., Milosevic' D. B., and Becker W. Rescattering Processes for Elliptical Polarization: A Quantum Trajectory Analysis. Phys. Rev. Lett., 84(17), 3831(4) (2000).
  35. Lafon R., Chaloupka J. L., Sheehy B., Paul P. M., Agostini P., Kulander K. C., and DiMauro L. F. Electron Energy Spectra from Intense Laser Double Ionization of Helium. Phys. Rev. Lett., 2001, v. 86, n. 13, p. 2762−2765
  36. LaGattuta K. J. and Cohen James S. Quasiclassical modelling of helium double photoionization. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 31 (1998) 52 815 291
  37. Lewenstein M., Balcou Ph., Ivanov M. Yu., L’Huillier A., and Corkum P. Theory of high-harmonic generation by low-frequency laser fields. Phys. Rev. A 49, 2117−2131 (1994).
  38. Loudon R. The quantum theory of light. Clarendon Press. Oxford. 1973.
  39. Mauger F., Chandre C., Uzer T. Strong field double ionization: What is under the «knee»? J. Phys. B: Atomic, Molecular and Optical Physics 42 (2009)165602
  40. Milosevic D. B., Paulus G. G., and Becker W. Ionization by few-cycle pulses: Tracing the electron orbits. Phys. Rev. A, 71, 61 404® (1−4)2005).
  41. Mityureva A. A., Smirnov V. V. and Bichkov A. B. Short-pulse photoexcitation process in the hydrogen atom. Phys. Rev. A., 2009, v. 79,13 402.
  42. Nelson. E. Feynman integrals and the Schrodinger equation. J. Math. Phys. 5:3, 332−343 (1964)
  43. Parker J. S., Doherty B. J. S., Taylor K. T., Schultz K. D., Blaga C. I., and DiMauro L. F. High-Energy Cutoff in the Spectrum of Strong-Field Nonsequential Double Ionization. Phys. Rev. Lett., 96, 133 001 (4)2006)
  44. Parker Jonathan S., Moore Laura R., Dundas Daniel and Taylor K. T. Double ionization of helium at 390 nm. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 33L691 (2000)
  45. Parker J. S., Moore L. R., Meharg K. J., Dundas D. and Taylor K. T. Double-electron above threshold ionization of helium. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 34 L69 (2001)
  46. Petersilka M. and Gross E. K. U. Strong-Field Double Ionization of Helium: A Density-Functional Perspective. Laser Physics, Vol. 9, No. 1, 1999, pp. 1−10.
  47. Pindzola M. S., Robicheaux F., Total ionization cross section for electron-hydrogen scattering using a time-dependent close-coupling method. Phys. Rev. A 54, 2142 (1996)
  48. Pindzola M. S., Robicheaux F. Time-dependent close-coupling calculations of correlated photoionization processes in helium. Phys. Rev. A, 1998, v. 57, n. 1, p. 318−324.
  49. Pindzola M. S., Schultz D. R., Time-dependent close-coupling method for electron-impact ionization of hydrogen. Phys. Rev. A 53, 1525 (1996)
  50. Pont M. and Gavrila M. Stabilization of atomic hydrogen in superintense, high-frequency laser fields of circular polarization. Phys. Rev. Lett. 65, 2362−2365 (1990)
  51. Popov A. M., Tikhonova O. V. and Volkova E. A. Strong-field atomic stabilization: numerical simulation and analytical modelling. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 36, R125 (2003)
  52. Popruzhenko S. V., Paulus G. G., Bauer D. Coulomb-corrected quantum trajectories in strong-field ionization. Phys. Rev. A, 77, 53 409 (1−7) (2008).
  53. Rost Jan M. Analytical total photo cross section for atoms. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys., 28 (1995) L601-L606
  54. Ruiz Camilo, Plaja Luis, Roso Luis, and Becker Andreas. Ab initio Calculation of the Double Ionization of Helium in a Few-Cycle Laser Pulse. Beyond the One-Dimensional Approximation. Phys. Rev. Lett. 96, 53 001 (4) (2006)
  55. Salieres P., Carre B., Le Deroff L., Grasbon F., Paulus G. G., Walther H., Kopold R., Becker W., Milosevic D. B., Sanpera A., and Lewenstein M. Feynman’s path integral approach for intense laser-atom interactions. Science 292, 902905 (2001).
  56. Samson J. A. R., Stolte W. C. Precision measurements of the total photoionization cross-sections of He, Ne, Ar, Kr, and Xe. Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena 123 (2002) 265−276
  57. Scrinzi. A. Ionization of multielectron atoms by strong static electric fields. Phys. Rev. A 61 41 402® (1−4) (2000)
  58. Selles P. and Malegat L., Kazansky A. K. Ab initio calculation of the whole set of He double-photoionization cross sections. Phys. Rev A, v. 65,32 711 (2002)
  59. Smirnov V. V. A note on the limiting procedures for path integrals. J. Phys. A: Math, and Theor., 2008, v. 41, 35 306
  60. Smirnov V. V. Test of a path-integral approach for the computation of scattering cross sections on an exactly solvable model. Phys. Rev. A., 2007, v. 76, 52 706.
  61. Smirnov V. V. On the estimation of a path integral by means of the saddle point method. J. Phys. A: Math, and Theor., 2010, v. 43, 465 303 (IIPP)
  62. Smirnov V. V. Path integral for system with spin. J. Phys. A: Math, and Gen., 1999, v.32, n.7, p.1285−1290.
  63. Smirnov V. V. and Mityureva A. A. The new approach to the computer experimental studies of atoms excitation by electron-impact. Helium. J. Phys. B.: Atomic and Mol. Phys., v. 29 n.13, 2865−2874 (1996).
  64. Smirnova O., Yakovlev V. S. and Scrinzi A. Quantum Coherence in the Time-Resolved Auger Measurement. 2003, Phys. Rev. Lett., 91 253 001
  65. Walker B. et al. Precision measurement of strong field double ionization of Helium. Phys. Rev. Lett, 1994, v. 73, n. 9, p. 1227−1230
  66. Wickenhauser M, Burgdorfer J, Krausz F. and Drescher M. Time Resolved Fano Resonances. 2005, Phys. Rev. Lett, 94 23 002
  67. Zhao Z. X. and Lin C. D. Theory of laser-assisted autoionization by attosecond light pulses. 2005, Phys. Rev. A 71 60 702
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!