CN103697809A - 一种椭圆偏振激光作用下分子光电子全息的生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种椭圆偏振激光作用下分子光电子全息的生成方法，包括：a)电离后的电子在激光场中的运动情况进行计算，得到电离后电子的速度及其运动轨迹。b)基于电离后电子运动的速度与轨迹，得到所需的信号电子的运动情况，包括初始相位，返回时刻，漂移时间。c)基于电离后的电子在激光场中运动情况的计算及其信号电子的运动情况，计算获得参考电子的电离相位、漂移时间。d)分别计算得出信号电子与参考电子在激光场中运动的相位积累。e)计算得到相位差，进而作出光电子全息的图像。采用本发明，通过改变椭圆激光的偏振度，来影响电离电子波包的动力学过程，进一步来控制分子光电子全息图的生成，可以精确作出分子光电子的全息图像。本方法简单易行，对于理解强场物理中电子波包的动力学行为以及分子光电子全息的特性具重要意义。

Description

一种椭圆偏振激光作用下分子光电子全息的生成方法

技术领域

本发明涉及强场激光物理领域，尤其涉及一种椭圆偏振激光作用下分子光电子全息的生成方法。

背景技术

“全息”是指物体发出的光波的全部信息：既包括振幅或强度，也包括相位。英国科学家丹尼斯·伽柏（Dennis Gabor）于1948年提出来全息术，并因此于1971年获得了诺贝尔物理学奖，当初的目的是只是想利用全息术提高电子显微镜的分辨率。然而，最初受到光源的局限性，并未得到很好的发展。

随后激光器的发明，激光技术的进步，促进了全息的进一步发展。目前全息术主要以激光作为光源，激光束用分光镜一分为二，其中一束照射到被拍摄的物体上，就携带物的相关信息（被称为物光），经反射或者透射后照射到记录底片上。而另一束激光，直接照射到记录底片上（被称为参考光）。物光与参考光在底片上发生相干，形成全息干涉图样，记录物的信息。

最近，线偏振激光作用下的原子的光电子全息在实验上被发现，并引起了人们的广泛关注。当原子处于线偏振激光场作用下时，首先被电离，随后，电子在激光场中加速运动，当激光场反向时，该电子有可能返回自身母核(母离子)，与母核发生碰撞等。

所谓光电子全息就是把未与母核发生碰撞的电子作为参考电子（参考波），而与母核发生散射的电子作为信号电子（信号波），参考电子与信号电子发生相干，产生光电子全息。参考波带有体系初始状态的相关信息，信号波带有与其发生碰撞的母核的信息。光电子全息发生在亚光学周期（激光周期

ω为激光频率）时间尺度，而当所用激光波长较短时，时间分辨率更是可以达到阿秒(10^-18s)量级。所以全息结构还带有超短时间尺度的电子波包动力学信息。

在线偏振激光作用下，电子从原子被电离，在电场作用下有可能回到自身母核。但在椭圆偏振激光作用下，电子在激光场中运动一段时间后，由于横向电场分量的存在，会导致电子返回时，相对母离子产生横向偏移。从而错过母核的几率提高，进而影响回到自身母离子的信号电子的生成，即影响该光电子全息的生成。而在椭圆偏振激光的作用下，分子中的电子电离之后除了可能返回自身母核外，由于横向位移的存在，更是可能回到其它核发生碰撞，从而产生另一种全息结构。从而可以见，椭圆激光的偏振度与分子光电子全息结构的形成密切相关.我们可以通过调整椭圆激光的偏振度，来实现对全息结构的控制。当两种全息结构都存在时，必然会相互发生干扰，影响全息图像的分辨。而调整椭圆激光偏振度到达一定值时，可以极大消除返回自身母核作为信号电子的全息结构，留下较为清晰的回到其它核的全息结构。此外，返回其它核作为信号电子的全息结构，与核间距R密切相关，而核间距R又是衡量分子键长和分子结构的重要信息。从而可见，测量分子光电子全息对于激光场椭圆偏振度的依赖性，可以为探测分子结构及亚光学周期时间尺度内的超快动力学提供有力工具。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种椭圆偏振激光作用下分子光电子全息的生成方法。可在椭圆偏振激光作用下精确做出分子光电子的全息图像。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种椭圆偏振激光作用下分子光电子全息的生成方法，所述方法包括：

步骤1：对电离后的电子在激光场中的运动进行计算，得到所述电离后的电子的速度及位移；

步骤2：根据所述电离后的电子的位移判断电子是否返回母核或附近的其他核，将返回母核或附近的其他核的所述电离后的电子视为信号电子，将未返回的电子视为参考电子；

步骤3：记录所述信号电子的初始相位φ以及回到母核或其他核时的相位，计算所述信号电子的漂移时间t_c；

步骤4：记录所述参考电子的初始相位φ′，并记录所述信号电子返回时所述参考电子的漂移时间t_r；

步骤5：将所述信号电子、参考电子的速度相同的相关条件ωt_c+φ＝ωt_r+φ′代入下式求得相位差： $\mathrm{\Δ\Φ}={\∫}_0^{t_c}\left[\frac{v_x^2(t^{\′},\mathrm{\φ})+v_y^2(t^{\′},\mathrm{\φ})}{2}\right]{\mathrm{dt}}^{\′}+{\∫}_0^{t_r}\left[\frac{v_x^2(t^{\′},{\mathrm{\φ}}^{\′})+v_y^2(t^{\′},{\mathrm{\φ}}^{\′})}{2}\right]{\mathrm{dt}}^{\′}-I_p\frac{(\mathrm{\φ}-{\mathrm{\φ}}^{\′})}{\mathrm{\ω}},$ 通过cos(ΔΦ)做出全息图像；

步骤6：改变椭圆激光场 $E\left(t\right)={\hat{e}}_x\mathrm{\ϵ}{E}_{0}f\left(t\right)\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+{\hat{e}}_y{E}_{0}f\left(t\right)\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)$ 中的偏振度ε，重复步骤1～5，对改变椭圆激光场偏振度的全息图进行分析，所述分析包括全息图像的差异分析，电子的运动轨迹分析，全息图的角分布。

进一步地，所述判断电子是否返回母核或附近的其他核通过以下步骤判断：

当电离时刻信号电子的初始位移为0，则当所述信号电子在激光场中运动后位移再次为0时，判断为所述信号电子返回母核；

当所述信号电子在激光场中运动后在x方向的位移为R，y方向的位移为0时，判断为所述信号电子返回附近的其他母核，其中R为双原子分子的核间距。在实际计算中，我们可以通过判断上下两时刻电子的位移乘积为负（即X_n*X_n-1<0）时判断电子返回。或者设定位移为非常接近0时返回，其精度可控。

更进一步地，改变核间距离R，使电子在激光场中运动的位移，时间和速度产生改变，进而导致了相位差的改变，从而最终得到不同核间距下的光电子全息图不同，对图谱进行分析，得到不同核间距下的最佳椭圆偏振度。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：通过改变椭圆激光的偏振度，来影响电离电子波包的动力学过程，进一步来控制分子光电子全息图的生成，该方法简单易行，并可以精确作出分子光电子的全息图像。

附图说明

图1是在椭圆偏振激光作用下电子返回自身母核的示意图；

图2是在椭圆偏振激光作用下电子返回其他母核的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

参照图1、图2关于椭圆偏振激光下的全息发生原理的示意图。图1中，信号电子a从C₁被电离，然后回到自身母核C₁发生碰撞之后，散射离开，信号电子a与参考电子发生相干，就产生椭圆偏振激光下的光电子全息。而图2中，信号电子a从C₁被电离，然后回到C₂发生碰撞之后，散射离开，同样可以与直接从C₁电离的参考电子b发生干涉，产生椭圆偏振激光下的光电子全息。

发明的提出的椭圆偏振激光作用下分子光电子全息的生成方法通过下面步骤实现：

（1）对电离后的电子在激光场中的运动情况进行计算，得到电离后电子的速度及其运动轨迹。

电子在椭圆激光场为 $E\left(t\right)={\hat{e}}_x\mathrm{\&epsiv;}{E}_{0}f\left(t\right)\sin \left(\mathrm{\&omega;t}\right)+{\hat{e}}_y{E}_{0}f\left(t\right)\cos \left(\mathrm{\&omega;t}\right)$ （E₀为激光场最大振幅，f(t)为激光脉冲包络，ω为激光频率，ε为椭圆偏振度）中的运动，输入电子初始相位，随后电子在激光场中运动，为了方便计算，电子在激光场作用下的运动，忽略了库伦势的作用，计算中取原子单位制：

为电子质量，e为电子电荷，

为普朗克常数除以2π，F＝E(t)q＝ma，在原子单位制下简写为F＝E(t)＝a，通过电子的加速度a，对加速度做积分来求解速度，对速度做积分来求解电子在电场中运动的位移。

（2）电子被电离后，根据步骤（1）计算其运动状态，通过电子的位移来判断是否有电子返回，如果没有则改变电子的初始相位，再重复步骤1，然后再判断。当有电子返回母核（或其它核附近时）即为信号电子，紧接着记录其相应的初始相位φ，及回到母核（或者其它核）时的相位，从而得到信号电子的漂移时间t_c。未返回母核（或者其它核）的电子为参考电子，其电离的初始相位为φ′，到信号电子回到母核（或者其它核）附近时，参考电子的漂移时间为t_r，信号电子碰撞后瞬时，信号电子与参考电子的速度相同，随后信号电子与参考电子在激光场中的运动不再进行相位积累，即相位差已恒定。直到最后激光场结束时，信号电子与参考电子以相同的末速度到达接收屏，形成全息图样。

通过以下步骤判断电子是否返回母核或附近的其他核：如图1，如果电离时刻信号电子的初始位移为0，则当信号电子在激光场中运动后位移再次为0时，则说明信号电子返回母核。如图2，以双原子分子为例，其分子轴沿着x方向，核间距为R，电子在激光场中运动后，如果在x方向的位移为R时，y方向的位移为0时，则代表电子返回母核。

（3）信号电子与参考电子满足相干条件：末速度相同，及ωt_c+φ＝ωt_r+φ′。

其中，t_c为信号电子（信号波）从电离到与其他原子核发生散射的时间；

t_r为参考电子（参考波）从电离到信号电子与其他核发生散射的时间；

φ为信号电子电离的初始相位；

φ′为参考电子电离的初始相位。

（4）将相关条件通过下式计算得相位差ΔΦ，并通过cos(ΔΦ)作出全息图像：

$\mathrm{\&Delta;\&Phi;}={\&Integral;}_0^{t_c}\left[\frac{v_x^2(t^{\&prime;},\mathrm{\&phi;})+v_y^2(t^{\&prime;},\mathrm{\&phi;})}{2}\right]{\mathrm{dt}}^{\&prime;}+{\&Integral;}_0^{t_r}\left[\frac{v_x^2(t^{\&prime;},{\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;})+v_y^2(t^{\&prime;},{\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;})}{2}\right]{\mathrm{dt}}^{\&prime;}{-I}_p\frac{(\mathrm{\&phi;}-{\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;})}{\mathrm{\&omega;}},$

其中，I_p为分子的电离势；

v_x，v_y为电子速度。

（5）改变椭圆激光场( $E\left(t\right)={\hat{e}}_x\mathrm{\&epsiv;}{E}_{0}f\left(t\right)\sin \left(\mathrm{\&omega;t}\right)+{\hat{e}}_y{E}_{0}f\left(t\right)\cos \left(\mathrm{\&omega;t}\right)$ )中的偏振度ε，可以设定ε=ε₁，ε₂，ε₃，……，得到最佳的椭圆激光偏振度，以极大消除返回自身母核作为信号电子的全息结构，留下较为清晰的回到其它核的全息结构。

当把ε取值较小时，电子横向加速度很小，最终横向位移也比较小。而此时，主要为回到自身母核的全息干涉发生。当把ε取值较大，其极限为1，即为圆偏振激光的情况，电子漂移很远，电子电离后在激光电场中的运动导致其远离自身母核，所以回到自身母核的情况不会发生，其所作全息图为回到其他核的全息图。所以可以通过改变椭圆激光偏振度来获得最佳的全息结构。

（6）重复步骤1～5，对改变椭圆激光场偏振度的全息图进行分析。包括全息图像的干涉条纹形状，全息图的截止能量，偏转角度，电子的运动轨迹分析.其中，全息图的干涉条纹形状，全息图的截止能量，偏转角度可以在全息干涉谱中直接观测到。我们可以相应的做出电子运动轨迹图，进行分析，最终确定最佳的偏振度，得到最清晰的全息图。

（7）重复步骤1～6，改变核间距离R，可以设定R=R₁，R₂，R₃，R₄......，改变核间距R，即改变了电子在激光场中运动的位移，时间和速度，进而导致了相位差的改变，从而最终得到不同核间距下的光电子全息图不同。对图谱进行归纳总结，得到不同核间距下的最佳椭圆偏振度，及产生的最清晰的全息图结构进行对照，最终可用相应椭圆偏振度及全息图结构来辨别分子核间距。

本发明的核心思想是利用分子光电子全息的产生对激光的偏振度具有很强的依赖性，进而通过改变椭圆激光的偏振度，来影响电离电子波包的动力学过程，进一步来控制分子光电子全息图的生成,进而用于成像分子结构，即核间距R的信息。这对于探究分子全息结构及其相应的电子波包的动力学有重要作用。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (3)

1.一种椭圆偏振激光作用下分子光电子全息的生成方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：对电离后的电子在激光场中的运动进行计算，得到所述电离后的电子的速度及位移；

步骤2：根据所述电离后的电子的位移判断电子是否返回母核或附近的其他核，将返回母核或附近的其他核的所述电离后的电子视为信号电子，将未返回的电子视为参考电子；

步骤3：记录所述信号电子的初始相位φ以及回到母核或其他核时的相位，计算所述信号电子的漂移时间t_c；

步骤4：记录所述参考电子的初始相位φ′，并记录所述信号电子返回时所述参考电子的漂移时间t_r；

步骤5：将所述信号电子、参考电子的速度相同的相关条件ωt_c+φ＝ωt_r+φ′代入下式求得相位差： $\mathrm{\&Delta;\&Phi;}={\&Integral;}_0^{t_c}\left[\frac{v_x^2(t^{\&prime;},\mathrm{\&phi;})+v_y^2(t^{\&prime;},\mathrm{\&phi;})}{2}\right]{\mathrm{dt}}^{\&prime;}+{\&Integral;}_0^{t_r}\left[\frac{v_x^2(t^{\&prime;},{\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;})+v_y^2(t^{\&prime;},{\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;})}{2}\right]{\mathrm{dt}}^{\&prime;}-I_p\frac{(\mathrm{\&phi;}-{\mathrm{\&phi;}}^{\&prime;})}{\mathrm{\&omega;}},$ 通过cos(ΔΦ)做出全息图像；

步骤6：改变椭圆激光场 $E\left(t\right)={\hat{e}}_x\mathrm{\&epsiv;}{E}_{0}f\left(t\right)\sin \left(\mathrm{\&omega;t}\right)+{\hat{e}}_y{E}_{0}f\left(t\right)\cos \left(\mathrm{\&omega;t}\right)$ 中的偏振度ε，重复步骤1～5，对改变椭圆激光场偏振度的全息图进行分析，所述分析包括全息图像的干涉条纹形状，全息图的截止能量，偏转角度，电子的运动轨迹。

2.根据权利要求1所述的椭圆偏振激光作用下分子光电子全息的生成方法，其特征在于，所述判断电子是否返回母核或附近的其他核通过以下步骤判断：

当电离时刻信号电子的初始位移为0，则当所述信号电子在激光场中运动后位移再次为0时，判断为所述信号电子返回母核；

当所述信号电子在激光场中运动后在x方向的位移为R，y方向的位移为0时，判断为所述信号电子返回附近的其他母核，其中R为双原子分子的核间距。

3.根据权利要求2所述的椭圆偏振激光作用下分子光电子全息的生成方法，其特征在于，还包括以下步骤：

改变核间距离R，使电子在激光场中运动的位移，时间和速度产生改变，进而导致了相位差的改变，从而最终得到不同核间距下的光电子全息图不同，对图谱进行分析，得到不同核间距下的最佳椭圆偏振度。

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