激发态动力学影响下的半经典强场理论：电离机制的统一图景

Strong field approximation (SFA) is the core theoretical framework available providing rather satisfying descriptions of most non-pertrubative strong field phenomena. The method, however, usually only accounts for the transition from a single lowest-energy bound state to the continuum, while neglecting the contributions from excited states. In this project, we focus on the influence of excited states on the strong field ionization, aiming at attaining a unified view of ionization mechanisms ranging from tunneling regime to multi-photon regime. Closely collaborating with the experimental research of rubidium atom by MOTReMi in Shanghai Advanced Research Institute Chinese Academy of Sciences, alkali atoms are of particular concern in our project. The development of the excited-state corrected SFA theory may provide valuable information of ionization dynamics for the full range of parameter, revealing the unified picture behind different ionization mechanism categorized by the Keldysh parameter, and offer a systematic treatment of long-range Coulomb interaction, the non-adiabatic tunneling effects in terms of semi-classical trajectories.

强场近似是强场物理的核心理论，可以成功描述大多数非微扰强场现象，但其往往只关注电子波包从单个最低能量束缚态到连续态的跃迁，忽略了初始和中间激发态的贡献，本项目将重点研究激发态对强场电离过程的影响，发展一套能够统一多光子与隧穿电离区物理图像的半经典方法。金属元素的激发态丰富，实验上容易实现，本项目重点结合我们已有的强场铷冷原子反应成像实验，以碱金属元素为主要研究对象，通过求解含时薛定谔方程、扩展强场近似模型及相应的半经典轨线分析理论方法，发展激发态修正的强场近似，为全参数范围下的电离动力学提供有益信息，解释并指导实验。最后，揭示出不同Keldysh参数、不同物理机制背后的统一图像，并为处理长程库伦势、非绝热隧穿等效应提供一个以半经典轨线为基础的、系统的处理方案。

强场近似作为强场物理的核心理论，可以成功描述大多数非微扰强场现象，但其往往只关注电子波包从单个最低能量束缚态到连续态的跃迁，忽略了初始和中间激发态的贡献。我们以强场近似理论框架为基础，探究了电离过程中激发态在强场过程中造成的影响，特别是针对物理机制当前尚未完全澄清的强场与气相介质相互作用中产生太赫兹波的现象，发展了基于强场近似的连续态-连续态跃迁辐射理论，这为高激发态及里德堡态强场物理过程的研究提供了新的理论方法。结合实验测量的太赫兹波产率与延迟相位及相对偏振角的依赖关系，结果对比表明强场激发后电子波包的连续态-连续态跃迁主导了太赫兹波的产生，且单原子行为的贡献可从等离子体系综的总体效应中独立出来。该工作进一步拓展了强场近似理论的应用场景，将太赫兹波产生明确地置于类似于高次谐波产生的强场理论框架下。在应用方面，该研究结果表明，即使中性原子被强泵浦激光完全耗尽，人们依然可以通过连续态-连续态跃迁获得太赫兹波，这为通过极强的泵浦光激发气相介质实现强太赫兹场的产生提供了理论支持。此外，由于产生的太赫兹波中编码了连续态电子动力学相关信息，它可以用作微观尺度的时空探针，这与高次谐波谱、光电子动量分布探测等所得到的信息存在互补关系，可为追踪连续电子的超快动力学提供新的探测技术。基于强场近似方法，我们还进一步探索了太赫兹外场用于探测超快相干过程的新技术，通过调制太赫兹外场，我们提出可通过光电子谱观察从Rabi振荡到Autler-Townes分裂的过渡，该方法可用于超快布居演化过程的重构。此外，我们还研究了太赫兹波外场对强场激发高次谐波的影响，通过数值与解析方法证明了近截断能量附近的偶次谐波正比于太赫兹波场幅，其可用于太赫兹波的表征。这一系列工作代表了从强场理论视角对太赫兹波物理的新理解，为太赫兹物理研究提供了系统化工具。