Многофотонная ионизация

Основные принципы процесса

Многофотонная ионизация возникает, когда атом или молекула поглощает несколько фотонов лазерного поля одновременно, что приводит к преодолению энергии связи электрона и его освобождению. В отличие от однофотонной ионизации, где энергия одного фотона превышает порог ионизации, здесь несколько фотонов совокупно обеспечивают необходимую энергию для выброса электрона. Этот процесс становится значимым при интенсивностях лазерного излучения порядка 1011 − 1013 Вт/см², когда вероятность многократного поглощения фотонов существенно возрастает.

Ключевым параметром является показатель Канельса–Крамерса–Рисса (Keldysh parameter), определяемый как

$$ \gamma = \sqrt{\frac{I_p}{2U_p}}, $$

где Ip — энергия ионизации атома, Up — энергия покачивания электрона в поле. При γ ≫ 1 реализуется режим многофотонной ионизации, при γ ≪ 1 — туннельная ионизация, а при γ ≈ 1 наблюдается переходный режим.

Квантовое описание многофотонной ионизации

Квантовая теория процесса опирается на рассмотрение вероятности поглощения n фотонов лазерного поля:

W(n) ∝ In,

где I — интенсивность поля. Это степенная зависимость отражает нелинейную природу явления: чем большее число фотонов требуется для преодоления порога ионизации, тем выше степень нелинейности.

Применение формализма теории возмущений позволяет вычислять вероятности переходов между начальными и конечными состояниями системы. При этом волновая функция электрона после ионизации описывается континуумом состояний, а спектр электронов проявляет характерные пики, соответствующие поглощению целого числа фотонов.

Особенности спектра фотоэлектронов

В экспериментах по многофотонной ионизации наблюдаются ATI-спектры (Above-Threshold Ionization, ионизация выше порога). В этом случае электрон может поглотить больше фотонов, чем необходимо для ионизации, и его кинетическая энергия определяется выражением:

Ek = nℏω − Ip − Up,

где ℏω — энергия одного фотона. Это приводит к формированию равномерно расположенных пиков в спектре фотоэлектронов с шагом ℏω. ATI-структуры являются важным диагностическим инструментом, позволяющим исследовать взаимодействие вещества с экстремально сильными полями.

Роль когерентности и временной структуры импульсов

Аттосекундные импульсы позволяют исследовать динамику многофотонной ионизации с беспрецедентным временным разрешением. Благодаря короткой длительности (сотни аттосекунд) можно наблюдать:

  • временную эволюцию электронного выброса;
  • задержки между ионизацией из разных подсостояний атома;
  • интерференцию электронных волн, возникающих при альтернативных путях поглощения фотонов.

Когерентные аттосекундные пакеты фотонов позволяют прослеживать динамику в реальном времени, что дает уникальную возможность исследовать фазовые связи между различными многофотонными каналами.

Многофотонная ионизация в сверхсильных полях

При экстремальных интенсивностях (свыше 1014 Вт/см²) многофотонная ионизация перестает быть «чистым» квантовым процессом и тесно переплетается с туннельным механизмом. В таких условиях электроны испытывают значительные колебания в поле, что приводит к дополнительным эффектам:

  • резонансная многофотонная ионизация — когда промежуточные состояния усиливают вероятность ионизации;
  • корреляционная ионизация — когда несколько электронов выбрасываются совместно вследствие электронной корреляции;
  • двухступенчатая ионизация — комбинация туннелирования и последующего поглощения дополнительных фотонов.

Экспериментальные методы

Для изучения многофотонной ионизации в аттосекундной физике применяются:

  • спектроскопия фотоэлектронов и ионов с высоким энергетическим разрешением;
  • метод pump-probe (накачка-зонд), где аттосекундный импульс запускает ионизацию, а последующий фемтосекундный импульс анализирует динамику;
  • угловая спектроскопия электронов, позволяющая восстанавливать пространственное распределение волновых пакетов.

Совмещение аттосекундных импульсов с инфракрасным драйвером (IR-assisted ionization) позволяет наблюдать интерференцию и корреляцию каналов ионизации, а также точно определять задержки выброса электронов.

Теоретические модели и численные методы

Для описания многофотонной ионизации в сильных полях применяются:

  • метод сильного поля (SFA) — приближение, где волновая функция электрона после ионизации рассматривается как волна Волькова;
  • TDSE (time-dependent Schrödinger equation) — численное решение уравнения Шрёдингера во временной области;
  • метод классических траекторий (CTMC) — моделирование динамики электронов после ионизации в квазиклассическом приближении.

Эти подходы позволяют исследовать как фундаментальные механизмы ионизации, так и тонкие эффекты, связанные с задержкой, корреляцией и интерференцией электронных траекторий.

Оглавление