Сверхвысокие интенсивности

Сверхвысокие интенсивности относятся к диапазону лазерных полей, при котором амплитуда электрического поля сравнима или превышает внутренние кулоновские поля атома. В этой области поведение материи принципиально отличается от классических представлений, поскольку квантовая динамика электронов становится доминирующей, а нелинейные эффекты играют решающую роль. Интенсивности порядка 10¹⁸ − 10²² Вт/см² позволяют наблюдать процессы многоквантовой и туннельной ионизации, генерацию высоких гармоник и образование плазмы с необычными свойствами.

Механизмы взаимодействия с веществом

1. Многоквантовая и туннельная ионизация

При сверхвысоких интенсивностях фотоны взаимодействуют с атомами не по одиночке, а кумулятивно. Основные механизмы:

Многоквантовая ионизация (MPI, multiphoton ionization) — происходит, когда энергия одного фотона недостаточна для ионизации, и требуется поглощение нескольких фотонов одновременно. Вероятность процесса сильно зависит от интенсивности поля:

W_MPI ∝ Iⁿ

где I — интенсивность, n — число необходимых фотонов.

Туннельная ионизация (TI, tunnel ionization) — при полях, близких к кулоновскому, потенциальный барьер атома деформируется настолько, что электрон может туннелировать сквозь него. Этот процесс описывается моделью Кельдиша, где ключевым параметром является параметр Кельдиша γ:

$$ \gamma = \frac{\omega \sqrt{2 I_p}}{E_0}, $$

где ω — частота лазера, I_p — энергия ионизации, E₀ — амплитуда электрического поля. Для γ ≪ 1 доминирует туннельная ионизация, для γ ≫ 1 — многоквантовая.

Высокочастотные нелинейные процессы

Генерация высоких гармоник (HHG) — ключевой эффект в аттосекундной физике. При интенсивных лазерных полях электроны выбиваются из атома и ускоряются в поле лазера, затем рекомбинируют с ядром, испуская фотоны с энергиями, кратными основной частоте. Характеристики HHG:

Спектральная структура: низкочастотная часть с экспоненциальным спадом, плато с почти равной интенсивностью гармоник и резким срезом на максимальной энергии.
Максимальная энергия описывается законом 3.17 U_p + I_p, где U_p = e²E₀²/4mω² — потенциальная энергия электрона в поле лазера.
HHG является источником аттосекундных импульсов в экстримальном ультрафиолетовом диапазоне (XUV).

Нелинейные эффекты в плазме:

Многоквантовое поглощение и обратное излучение приводят к генерации высокоинтенсивных плазменных волн.
Самофокусировка лазерного импульса: интенсивность локально возрастает из-за зависимости показателя преломления от плотности плазмы, что может вызывать образование квазипериодических структур и плотных плазменных каналов.

Пороговые эффекты и разрушение структуры вещества

На сверхвысоких интенсивностях:

Ионизация “по схватке”: все электроны атома выбиваются почти мгновенно.
Эмиссия релятивистских электронов: при I ≳ 10¹⁸ Вт/см² электроны приобретают релятивистские скорости, что вызывает излучение в рентгеновском диапазоне.
Абляция вещества: локальное испарение и образование плазмы происходят за аттосекунды, что открывает возможности для ультратонкой обработки материалов и исследования динамики плазменных волн.

Когерентные и релятивистские эффекты

Сверхвысокие поля вызывают:

Релятивистское смещение массы электрона: при сильных полях эффективная масса $m^* = m \sqrt{1 + a_0^2}$, где a₀ = eE₀/mωc — параметр силы лазера, существенно меняет спектр излучения.
Когерентное управление: благодаря сверхкоротким импульсам можно контролировать динамику электронов на уровне единичных циклов лазерного поля, создавая новые квантовые состояния или индуцируя рекомбинацию электронов в заданной фазе.

Методы исследования и измерения

1. Томография электронной динамики: Используются аттосекундные импульсы XUV для измерения временной задержки и движения электронов в атомах и молекулах.

2. Плотномер лазерного поля: Интенсивность сверхвысокого поля определяется через генерацию высоких гармоник и наблюдение за спектром ионизации.

3. Рентгеновская аттосекундная спектроскопия: Позволяет проследить динамику электронных оболочек, возникающих при туннельной ионизации, с субфемтосекундной точностью.

Ключевые выводы

Сверхвысокие интенсивности открывают доступ к новым нелинейным и релятивистским явлениям в атомной и молекулярной физике.
Основные процессы — многоквантовая и туннельная ионизация, генерация высоких гармоник, образование плазмы и релятивистская динамика электронов.
Использование аттосекундных импульсов позволяет наблюдать и управлять электронами на их естественных временных масштабах, что невозможно в традиционной физике оптики и лазеров.