强激光场驱动下电子超快动力学过程研究：从原子分子推广到固体介质

Over the past few decades, the interactions of intense laser field with atom and molecule gases have been widely investigated, yielding significant applications on attosecond pulse generation, electron dynamics and molecular structure imaging, ect.. Recently, it has been demonstrated that some fundamental processes, such as tunneling, acceleration and recollision/rescattering, also take place in solids. However, due to different structures, there are still many differences in strong-field phenomena among atoms, molecules and solids. Fully understanding the dynamical mechanism will open up new ways of generation of intense sources of coherent extreme-ultraviolet radiation, all-optical band-structure reconstruction. Strong-field physics in solids is still in its infancy, and very challenging..Aiming on this frontier research field, in this project, we propose researches on electrons’ultrafast dynamics in solids driven by intense laser field. Theoretical analysis methods and numerical simulation codes developed with (or for) atoms and molecules will be extended to solid structures. Using these methods, we will further explore the relations and discrepancies among atoms, molecules and solids, and resolve the underlying physical mechanism. Moreover, we will propose different schemes for probing and controlling electrons’ ultrafast dynamical processes, and seek potential applications of these new effects in structure reconstruction and real-time observation of attosecond electron motion.

强激光场与原子分子气体的相互作用在过去的几十年里已被广泛研究，并被成功用于阿秒脉冲产生、电子动力学及分子结构成像等方面。最近的研究表明，强场物理中的一些基本过程如隧穿、加速及再碰撞/散射在固态系统中仍然存在，但由于介质结构不同，其现象仍存在很大的差异，深入理解其电子动力学机制对发展固态强相干超紫外光源、固体结构全光成像等都具有重要的意义。这一方面研究国际上尚处于起步阶段，极具挑战性。本项目瞄准这一前沿研究领域，拟开展强激光场驱动下固态结构中电子超快动力学过程研究，将在原子、分子领域发展起来的理论方法进一步推广至固体结构，探索强激光场驱动下原子分子介质与固体材料中电子超快动力学过程的联系与差异，并揭示其背后的物理机制；进一步提出不同的电子的超快动力学过程控制及探测方案，发现新现象、新规律，并探寻这些新效应在结构成像及阿秒电子动力学实时探测和控制中的应用新方案。

原子高次谐波产生是目前阿秒脉冲产生的主要方法，也是阿秒时间分辨电子超快动力学过程成像的一种重要手段。自2011年固态高次谐波在半导体ZnO介质中得以发现以来，由于其在小型化阿秒光源、半导体能带结构及超快电子动力学成像探测方面的潜在应用而备受关注。但由于固体结构的复杂性，到目前为止固态介质高次谐波其产生机制一直备受争议。.本项目按照项目原定计划，重点开展强激光场激发下固态介质中电子超快动力学过程研究,取得的主要研究进展与成果包括，（i）进一步发展本项目已有的用于分析原子分子介质电子超快电子动力学过程半径典方法，并将其推广至固态介质；（ii）发现了固态结构中高次谐波产生不同于原子介质的新机制，如带内运动导致的带间激发时域受限新机制，利用该机制通过采用双色场改变激发脉冲波形，有效将带间激发局限在单个半周期内，从而在整个高次谐波平台产生连续谱，因此不需要进行相位补偿即可产生单个阿秒脉冲辐射；发现双色场脉冲激发下固态高次谐波产生效率提高倍数更高的根本原因在于固态介质中电离前的电子带内预加速，从而为提高固态高次谐波产生效率优化奠定理论基础；(iii) 发现电子和空穴与临核原子的碰撞散射新机制，揭示了固态介质高次谐波结构依赖的根本原因在于电子和空穴与临核的弹性散射影响电子和空穴的再俘获，并首次建立了背向（前向）散射与能带结构中的关键点(线)的对应关系。该工作提供了一种统一的固态介质中亚激光周期内碰撞与再俘获的图像，为利用高次谐波谱探测能带结构和电子超快动力学成像奠定基础。等等。