CN108961962B - 一种利用单光子单电离机制重构电场包络的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用单光子单电离机制重构电场包络的方法，该方法包括以下步骤：S1、将测量到的单个阿秒脉冲与工作气体相互作用获得电子动量谱，对电子动量谱通过最小二乘法重构出阿秒脉冲的电场包络分布Eatto；S2、测量得到不同阿秒脉冲‑红外电场相对延时下产生的旁带信号和单光子电离信号的强度比；S3、根据步骤S1得到的阿秒脉冲电场包络分布Eatto，以及步骤S2得到的旁带信号和单光子电离信号的强度比，通过最小二乘法重建红外电场的包络EL0。本发明不仅能够反映出阿秒泵浦探测实验中电子的动力学过程，还能同时重构出阿秒脉冲电场的包络分布和红外电场的包络，且不依赖与阿秒脉冲和红外电场的载波包络相位。

Description

一种利用单光子单电离机制重构电场包络的方法
技术领域
本发明涉及超快激光技术领域，尤其涉及一种利用单光子单电离机制重构电场包络的方法。
背景技术
阿秒科学的飞速发展使得研究者们可以实现对原子，分子和固态物质内电子运动状态的实时探测。阿秒泵浦探测技术，例如阿秒条纹相机，频域干涉方法(RABBIT)等，已经被证明可以观测到电子的光电离发射时间延迟，固体内价电子的运动和电子的自共振。为了更好地利用阿秒泵浦探测技术研究电子的动力学过程，阿秒泵浦探测实验的支柱，即阿秒脉冲和红外电场均需要被很好地描述。
FROG-型方法和通过ω震荡滤波检索相位信息的方法(PROOF)是重构阿秒条纹动量谱和RABBIT动量谱的两种很具有代表性的方法。FROG-型方法借鉴频率分辨的光开关技术(FROG)，并结合光电离强场公式已经被很成功地用来描述阿秒泵浦探测实验中阿秒脉冲和红外电场的特性。但是，FROG-型方法不能直接地反映出电子的动力学过程。PROOF方法和提高的PROOF方法(iPROOF)很清晰地阐述了RABBIT技术中电子的单光子电离和双光子跃迁过程，但是PROOF和iPROOF方法只能重构出阿秒脉冲电场，不能重构出红外电场。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中阿秒泵浦探测实验中电场重构方法存在的缺陷，提供一种利用单光子单电离机制重构电场包络的方法，旨在不仅能够反映出阿秒泵浦探测实验中电子的动力学过程，还能同时重构出阿秒脉冲电场的包络分布和红外电场的包络。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种利用单光子单电离机制重构电场包络的方法，该方法包括以下步骤：
S1、将测量到的单个阿秒脉冲与工作气体相互作用获得电子动量谱，对电子动量谱通过最小二乘法重构出阿秒脉冲的电场包络分布Eatto；
S2、测量得到不同阿秒脉冲-红外电场相对延时下产生的旁带信号和单光子电离信号的强度比；
S3、根据步骤S1得到的阿秒脉冲电场包络分布Eatto，以及步骤S2得到的旁带信号和单光子电离信号的强度比，通过最小二乘法重建红外电场的包络EL0。
进一步地，本发明的该方法中的工作气体为惰性气体中的一种。
进一步地，本发明的步骤S1中通过最小二乘法重构出阿秒脉冲电场的包络分布Eatto，其步骤包括：
S11、将测量到的单个阿秒脉冲与原子气体相互作用得的电子动量谱进行逆傅里叶变换，得到时域信号TD；
S12、将时域信号TD按照系数待定的五阶三角形式傅里叶级数展开式，通过最小二乘法拟合，重构出阿秒脉冲的电场包络分布Eatto。
进一步地，本发明的步骤S1中电子动量谱的获得方法为：
电子动量谱是通过数值求解单个阿秒脉冲驱动下，原子气体的含时薛定谔方程得到。
进一步地，本发明的步骤S2中的旁带信号和单光子电离信号的获得方法为：
旁带信号和单光子电离信号是通过数值求解不同阿秒脉冲-红外电场相对延时下，原子气体的含时薛定谔方程得到。
进一步地，本发明的该方法中的旁带信号是处于原子基态的电子波包吸收一个阿秒光子发生单电离并同时吸收或释放一个红外光子产生的。
进一步地，本发明的该方法中的单光子电离信号，是处于原子基态的电子波包吸收一个阿秒光子发生单电离产生的。
进一步地，本发明的步骤S3中红外电场的包络的计算方法为：
将测量得到的不同阿秒脉冲-红外电场相对延时下获得的旁带信号和单光子电离信号的强度比按照以下公式：
Figure GDA0002693960650000031
通过最小二乘法拟合得到红外电场的包络；
其中，J1，J-1和J0分别为一阶贝塞尔函数，负一阶贝塞尔函数和零阶贝塞尔函数；k2m+2是处于原子基态的电子波包吸收一个阿秒光子发生单电离并同时吸收一个红外光子得到的旁带信号的动量；k2m是处于原子基态的电子波包吸收一个阿秒光子发生单电离并同时释放一个红外光子得到的旁带信号的动量；k2m+1是单光子电离信号的动量；ωL是红外电场的角频率；td是阿秒脉冲和红外电场之间的相对延时。
进一步地，本发明的按照公式
Figure GDA0002693960650000032
拟合所需的旁带信号是通过处于原子基态的电子波包吸收一个阿秒光子发生单电离并同时吸收一个红外光子得到的。
进一步地，本发明的按照公式
Figure GDA0002693960650000033
拟合所需的旁带信号是通过处于原子基态的电子波包吸收一个阿秒光子发生单电离并同时释放一个红外光子得到的。
本发明产生的有益效果是：本发明的利用单光子单电离机制重构电场包络的方法，基于单光子单电离机制，不仅能够反映出阿秒泵浦探测实验中电子的动力学过程，还能同时重构出阿秒脉冲电场的包络分布和红外电场的包络，且不依赖于阿秒脉冲和红外电场的载波包络相位。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1(a)是阿秒脉冲-红外电场同时驱动下产生的电子动量谱分布图；
图1(b)是单光子单电离机制图；
图2是测量得到单个阿秒脉冲驱动氢原子气体所获得的电子动量谱；
图3是重构出的阿秒脉冲包络分布与原始阿秒脉冲包络分布的对比图；
图4是测量得到的不同阿秒脉冲-红外电场(cos2包络)相对延时下获得的旁带信号(吸收一个阿秒光子发生单电离并同时吸收一个红外光子)和单光子电离信号的强度比；
图5是重构出的红外电场包络与原始红外电场包络(cos2包络)的对比图；
图6是测量得到的不同阿秒脉冲-红外电场(平顶高斯包络)相对延时下获得的旁带信号(吸收一个阿秒光子发生单电离并同时吸收一个红外光子)和单光子电离信号的强度比；
图7是本发明的方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
基于单光子单电离机制实现阿秒泵浦探测实验中电场包络重构的方法，包括以下步骤：
(1)将数值求解激光与原子气体相互作用的含时薛定谔方程得到的单个阿秒脉冲与工作气体相互作用获得的电子动量谱，通过最小二乘法重构出阿秒脉冲电场的包络分布Eatto；
(2)数值求解激光与原子气体相互作用的含时薛定谔方程得到不同阿秒脉冲-红外电场相对延时下获得的旁带信号和单光子电离信号的强度比；
(3)利用所述重构得到的阿秒脉冲电场的包络分布Eatto与所述旁带信号和单光子电离信号的强度比，通过最小二乘法重建红外电场的包络EL0。
下面将结合附图，以红外场包络为cos2包络，作为实施例对本发明作进一步说明：
在本发明的一个实施例中，红外电场中心频率ωL为1.55电子伏特、5个光周期、强度1×1011W/cm2，阿秒脉冲为第21次谐波，也即中心频率为21ωL、5个光周期、强度为1×1010W/cm2，工作气体为氢原子，电离能Ip为0.5原子单位。
图1(a)是阿秒脉冲与红外电场同时与氢原子气体相互作用，通过记录不同阿秒脉冲-红外电场相对延时下的电子产率得到的电子动量谱分布。
图1(b)是单光子单电离机制图。21次谐波所对应的电离信号是由处于原子基态的电子波包吸收一个阿秒光子得到的单光子电离信号。22次谐波所对应的电离信号是处于原子基态的电子波包吸收一个阿秒光子发生单电离并同时吸收一个红外光子得到的旁带信号。20次谐波对应的电离信号是处于原子基态的电子波包吸收一个阿秒光子发生单电离并同时释放一个红外光子得到的旁带信号。
图2是数值求解激光与原子气体相互作用的含时薛定谔方程得到的单个阿秒脉冲与工作气体相互作用获得的电子动量谱。
图3是对单个阿秒脉冲与工作气体相互作用获得的电子动量谱进行逆傅里叶变换，再按照系数待定的五阶三角形式傅里叶级数展开式，通过最小二乘法拟合重构出的阿秒脉冲的电场包络分布和原始的阿秒脉冲的电场包络分布。通过对比，本发明重构的阿秒脉冲电场的包络分布定量上反映了原始的阿秒脉冲电场的包络分布。
图4是22次谐波对应的旁带信号与21次谐波对应的单光子电离信号的强度比。
图5是将22次谐波对应的旁带信号与21次谐波对应的单光子电离信号的强度比按照公式
Figure GDA0002693960650000051
通过最小二乘法拟合重构出的红外电场包络和原始的红外电场包络。其中，J1和J0分别为一阶贝塞尔函数和零阶贝塞尔函数，k2m+2和k2m+1分别满足
Figure GDA0002693960650000061
和
Figure GDA0002693960650000062
通过对比，本发明重构的红外场包络定量上反映了原始的红外场包络。
使用本发明“一种利用单光子单电离机制重构电场包络的方法”，还成功地以红外场包络为平顶高斯包络(图6)为实施例实现了对电场包络的重构。其中，平顶高斯包络的脉宽为20fs，电场强度为1×1011W/cm2。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用单光子单电离机制重构电场包络的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、将测量到的单个阿秒脉冲与工作气体相互作用获得电子动量谱，对电子动量谱通过最小二乘法重构出阿秒脉冲的电场包络分布Eatto；
S2、测量得到不同阿秒脉冲-红外电场相对延时下产生的旁带信号和单光子电离信号的强度比；
S3、根据步骤S1得到的阿秒脉冲电场包络分布Eatto，以及步骤S2得到的旁带信号和单光子电离信号的强度比，通过最小二乘法重建红外电场的包络EL0。
2.根据权利要求1所述的利用单光子单电离机制重构电场包络的方法，其特征在于，该方法中的工作气体为惰性气体中的一种。
3.根据权利要求1所述的利用单光子单电离机制重构电场包络的方法，其特征在于，步骤S1中通过最小二乘法重构出阿秒脉冲电场的包络分布Eatto，其步骤包括：
S11、将测量到的单个阿秒脉冲与原子气体相互作用得的电子动量谱进行逆傅里叶变换，得到时域信号TD；
S12、将时域信号TD按照系数待定的五阶三角形式傅里叶级数展开式，通过最小二乘法拟合，重构出阿秒脉冲的电场包络分布Eatto。
4.根据权利要求1或3所述的利用单光子单电离机制重构电场包络的方法，其特征在于，步骤S1中电子动量谱的获得方法为：
电子动量谱是通过数值求解单个阿秒脉冲驱动下，原子气体的含时薛定谔方程得到。
5.根据权利要求1所述的利用单光子单电离机制重构电场包络的方法，其特征在于，步骤S2中的旁带信号和单光子电离信号的获得方法为：
旁带信号和单光子电离信号是通过数值求解不同阿秒脉冲-红外电场相对延时下，原子气体的含时薛定谔方程得到。
6.根据权利要求1所述的利用单光子单电离机制重构电场包络的方法，其特征在于，该方法中的旁带信号是处于原子基态的电子波包吸收一个阿秒光子发生单电离并同时吸收或释放一个红外光子产生的。
7.根据权利要求1所述的利用单光子单电离机制重构电场包络的方法，其特征在于，该方法中的单光子电离信号，是处于原子基态的电子波包吸收一个阿秒光子发生单电离产生的。
8.根据权利要求1所述的利用单光子单电离机制重构电场包络的方法，其特征在于，步骤S3中红外电场的包络的计算方法为：
将测量得到的不同阿秒脉冲-红外电场相对延时下获得的旁带信号和单光子电离信号的强度比按照以下公式：
Figure FDA0001729624230000021
或
Figure FDA0001729624230000022
通过最小二乘法拟合得到红外电场的包络；
其中，J1，J-1和J0分别为一阶贝塞尔函数，负一阶贝塞尔函数和零阶贝塞尔函数；k2m+2是处于原子基态的电子波包吸收一个阿秒光子发生单电离并同时吸收一个红外光子得到的旁带信号的动量；k2m是处于原子基态的电子波包吸收一个阿秒光子发生单电离并同时释放一个红外光子得到的旁带信号的动量；k2m+1是单光子电离信号的动量；ωL是红外电场的角频率；td是阿秒脉冲和红外电场之间的相对延时。
9.根据权利要求8所述的利用单光子单电离机制重构电场包络的方法，其特征在于，按照公式
Figure FDA0001729624230000023
拟合所需的旁带信号是通过处于原子基态的电子波包吸收一个阿秒光子发生单电离并同时吸收一个红外光子得到的。
10.根据权利要求8所述的利用单光子单电离机制重构电场包络的方法，其特征在于，按照公式
Figure FDA0001729624230000031
拟合所需的旁带信号是通过处于原子基态的电子波包吸收一个阿秒光子发生单电离并同时释放一个红外光子得到的。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111428393B (zh) * 2020-02-25 2022-05-13 天津大学 基于感应电荷层析成像的气体绝缘输电管道电场重构方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102538987A (zh) * 2011-12-14 2012-07-04 北京大学 一种阿秒x-射线脉冲的测量方法及其应用

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100573066C (zh) * 2008-07-25 2009-12-23 华中科技大学 一种测量阿秒脉冲脉宽的方法
WO2013009911A2 (en) * 2011-07-11 2013-01-17 Trustees Of Princeton University Systems and methods for lasing from a molecular gas
CN103776894B (zh) * 2014-01-26 2016-04-13 河南理工大学 一种测量超快过程的方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102538987A (zh) * 2011-12-14 2012-07-04 北京大学 一种阿秒x-射线脉冲的测量方法及其应用

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Attosecond Electron Correlation Dynamics in Double Ionization of Benzene Probed with Two-Electron Angular Streaking;Liao,Qing etc;《PHYSICAL REVIEW LETTERS》;American Physical Society;20170922;第119卷(第12期);第123201-1-123201-6页 *
强激光场氦原子非序列双电离过程中光子动量分配;陶建飞 刘杰;《中国科学:物理学 力学 天文学》;20141231;第44卷(第12期);第1356-1362页 *

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