摘要
原子分子内电子态之间的能量差决定了电子的运动时间尺度处于阿秒量级。电子超快动力学研究对理解光与物质相互作用，揭示化学反应机理，探索量子世界奥秘具有重要的指导意义。随着激光技术的快速发展，超短超强激光脉冲的出现为亚周期时间尺度上分辨超快电子动力学提供了有效手段。本论文围绕超短激光脉冲诱导的强场电离现象，对原子强场电离亚周期超快动力学过程进行了理论研究。主要内容和创新点如下： 阿秒钟信号的超快分辨 阿秒钟是一种在强场电离背景下提取隧穿电离时间的方法，其将隧穿时间映射到偏振平面光电子动量分布的峰值偏移角上，从而能够在阿秒时间尺度上追踪电子的运动。然而，不同径向动量下偏移角会发生明显变化，影响阿秒钟信号的精确评估。为解决上述问题，我们对阿秒钟信号的整体动量分布进行了分析。以求解含时薛定谔方程的结果作为基准，我们结合不同轨迹模拟方法与多种初始条件，系统地研究了非绝热、非偶极和量子干涉效应对阿秒钟信号的影响。研究结果表明，非绝热效应影响阿秒钟信号的整体动量分布，周期间干涉的量子效应显著改变了阿秒钟偏移角，而非偶极效应对偏振平面上阿秒钟信号的影响可以忽略不计。这项研究为定量解释阿秒钟实验结果提供了重要参考。 强场电离中的瞬时准光子 原子在圆偏振激光脉冲下的电离过程中，系统哈密顿量具有无限阶动力学旋转对称性，即在任意时间平移算符和相应旋转算符下哈密顿量保持不变。我们利用旋转算符和时间平移算符的共轭变量（角动量和能量）组成的关联谱，构造了强场电离中的瞬时准光子概念。与光子概念不同，瞬时准光子在亚周期尺度依然有效。借助于瞬时准光子，我们在隧穿出口和渐近区域发现了光电子角动量和能量之间的守恒定律。此外，为了实验验证瞬时准光子的存在，我们提出了一种基于电子涡旋的方法。这项工作为更深入地理解亚周期尺度上的光与物质相互作用提供了理论依据。 超短激光脉冲电场和矢势对隧穿电离过程的影响 强场隧穿电离通常分为两步：势垒下电子的量子隧穿过程以及电子在连续态的经典运动。目前，激光脉冲电场和矢势在这两个过程中分别起到的作用尚不明确。借助于瞬时准光子的概念以及超短激光脉冲下电场和矢势中心频率的差异性，有助于明确电场和矢势对隧穿电离过程的具体贡献。研究结果表明光电子在隧穿出口处的角动量能量关联谱以及横向动量分布与电场的中心频率有关，而渐近动量分布与矢势的中心频率有关。这表明势垒下量子隧穿过程由电场主导，而随后的经典连续运动由矢势主导。这项研究为超短激光脉冲在强场物理中的应用提供了一个新的视角。 越垒电离区域下电子动力学研究 越垒电离是强激光与物质相互作用产生电离的重要机制，对粒子加速、基于高次谐波产生阿秒脉冲等物理过程具有重要的影响。对于隧穿电离，基础理论研究已较为完善且具有清晰的物理图像。但目前对越垒电离的研究主要集中于经验公式对电离率的修正，缺乏清晰的物理图像，以至于电子动力学的超快分辨难以实现。为此，我们将反向传播方法从隧穿电离区域拓展到了越垒电离区域，研究了越垒电离亚周期尺度上电子的超快动力学过程。研究结果表明隧穿电离和越垒电离电子动力学行为存在显著差异，明确了两者在光电子动量谱和电离时间分布上的相对贡献。通过研究两种电离机制光强相关的电离概率分布，发现了在一定强度范围内两种机制的竞争相互作用。这项研究进一步完善了强场电离图像，对探索强场物理新机制具有重要的基础意义。
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