一種基于光電子全息成像探測原子結(jié)構(gòu)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于強場激光與原子或分子相互作用領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于光電 子全息成像探測原子結(jié)構(gòu)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 原子散射振幅是原子分子物理的一個基本物理參數(shù)。通常，人們利用電子束去撞 擊原子，然后從散射的電子譜提取散射振幅的信息。這樣測量到的信息是散射振幅的幅值。 我們知道，散射振幅是一個復(fù)數(shù)，它既有幅值，同時還有相位。要測量散射振幅的相位，需要 兩個相干的電子束。一束電子與原子不發(fā)生作用直接到達(dá)探測器，另一束電子被原子散射 后到達(dá)探測器。這樣探測的電子譜中會出現(xiàn)干涉結(jié)構(gòu)。從這些干涉結(jié)構(gòu)中能夠提取原子散 射振幅的相位信息。這種探測相位的原理非常簡單，但是在實驗上卻很難實現(xiàn)。因為很難產(chǎn) 生兩束完全相干、電子密度足夠大并且能夠任意控制的電子束。
[0003] 強場激光與原子或分子相互作用，會使原子或分子電離。電離的電子，有一部分能 夠直接到達(dá)探測器，這些電子叫做直接電子。另外一些電子在激光電場的作用下做振蕩運 動，能夠返回來，與母離子發(fā)生碰撞，這些返回來的電子就叫做散射電子。這部分返回來發(fā) 生碰撞的電子與傳統(tǒng)的電子散射試驗中的電子束一樣，攜帶了原子散射振幅的信息。同時 由于直接電子和散射電子是完全相干的，因此，最后探測到的電子譜會呈現(xiàn)干涉結(jié)構(gòu)。2011 年，發(fā)表在《Science》上的一篇文章報道了這種干涉結(jié)構(gòu)。這種干涉結(jié)構(gòu)跟Gabor提出來的 光學(xué)全息成像的物理過程一樣，直接電子作為參考波，散射電子作為信號波。因此人們把這 種干涉結(jié)構(gòu)叫做強場光電子全息圖。人們知道，這種全息圖中包好了原子的結(jié)構(gòu)信息。但 是，如何利用這種全息圖，探測原子散射振幅的信息，還是一個未解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種基于光電子全息成像探測原子結(jié)構(gòu)的方 法，目的在于利用強場電離的光電子全息成像的方法，通過分析測量到的光電子全息圖，探 測原子散射振幅的相位信息。
[0005] 本發(fā)明提供了一種基于光電子全息成像探測原子結(jié)構(gòu)的方法，包括下述步驟： [0006] (1)通過中紅外波段線偏振飛秒激光與待探測的原子作用激發(fā)原子電離;并獲取 原子的二維光電子動量譜；
[0007]在所述二維光電子動量譜中，垂直于激光偏振方向上具有前向散射電子與直接電 子之間產(chǎn)生的全息干涉結(jié)構(gòu)；
[0008] (2)利用移動平均法濾除所述二維光電子動量譜中平行于激光偏振方向的干涉結(jié) 構(gòu)，獲得垂直于激光偏振方向的全息干涉結(jié)構(gòu)g(k_L)cosA4>:TDSEi;
[0009] (3)對所述垂直于激光偏振方向的全息干涉結(jié)構(gòu)進(jìn)行歸一化處理后獲得全息干涉 結(jié)構(gòu)附加相位cos Δ φ TDSE;
[0010] (4)根據(jù)所述全息干涉結(jié)構(gòu)附加相位cosA φτ·和公式Δφτ1)5Ε =卩k±2(tr-ti) + α計算原子散射振幅的相位α;
[0011] 其中，k_L為垂直激光偏振方向的動量，tr為散射電子的碰撞時間，ti為散射電子的 電離時間。
[0012] 更進(jìn)一步地，在步驟(1)中，利用冷靶反沖粒子動量成像譜儀或粒子速度影像儀獲 取原子的二維光電子動量譜。
[0013]更進(jìn)一步地，步驟(3)具體為：
[0014] 獲得垂直于激光偏振方向的全息干涉結(jié)構(gòu)曲線的極大值、極小值，并采用高斯函 數(shù)進(jìn)行擬合，得到附加的高斯包絡(luò)；
[0015] 將垂直于激光偏振方向的全息干涉結(jié)構(gòu)除以高斯包絡(luò)后，并對其進(jìn)行歸一化：即 除以再次進(jìn)行高斯函數(shù)擬合所得的g(k±)，獲得所述全息干涉結(jié)構(gòu)附加相位cos △ Φμε。
[0016] 通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于將強場電離產(chǎn)生的全 息干涉結(jié)構(gòu)與提取原子結(jié)構(gòu)信息相結(jié)合，分析提取出干涉結(jié)構(gòu)中包含的原子結(jié)構(gòu)信息；能 夠獲得不易從實驗中提取的原子散射振幅相位項這一原子結(jié)構(gòu)固有信息，從而獲得對原子 結(jié)構(gòu)更加全面清晰的認(rèn)識。對以后更進(jìn)一步地研究量子力學(xué)中的散射現(xiàn)象及粒子結(jié)構(gòu)有幫 助。本發(fā)明能夠達(dá)到獲取原子和分子物理中重要的固有信息：原子的散射振幅這一有益效 果。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明提供的基于光電子全息成像探測原子結(jié)構(gòu)的方法的實現(xiàn)流程圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明第一實施例的工作原理圖。（a)激光脈沖電場圖；（b)電離電子運動軌 跡示意圖；（c)光電子動量譜中的干涉條紋，即為全息結(jié)構(gòu)。
[0019] 圖3為本發(fā)明第一實施例單光周期激光脈沖驅(qū)動下的光電子動量譜，可見明顯的 全息結(jié)構(gòu)以及平行偏振方向的周期內(nèi)的干涉。
[0020] 圖4為本發(fā)明第一實施例提供的光電子動量譜提取原子散射相位的過程以及提出 的散射振幅相位結(jié)果;其中（a)為光電子動量譜在垂直激光偏振方向的干涉結(jié)構(gòu)；（b)為從 (a)的干涉結(jié)構(gòu)中提取的光電子譜相位信息，即歸一化的cos Δ c})TDSE;(c)中黑色小方框為 從(b)的相位得到的散射振幅相位α，并與理論計算(黑色實線）的精確結(jié)果比較。
[0021]圖5為本發(fā)明第二實施例中在超短激光脈沖(few-cycle pulses)驅(qū)動下的原子電 離得到的光電子動量譜，已利用移動窗口平均法盡量消除平行偏振方向的干涉結(jié)構(gòu)。
[0022]圖6為本發(fā)明第二實施例中從圖5的光電子動量譜提取的原子散射相位以及理論 計算得到的散射振幅相位。
【具體實施方式】
[0023]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0024]在本發(fā)明中，利用中紅外波段的飛秒激光，作用于待探測的原子上，測量激光電離 原子的電子的二維動量譜。測量的動量譜在垂直于激光偏振方向會出現(xiàn)非常明顯的干涉結(jié) 構(gòu)，即光電子全息圖。通過分析這種干涉結(jié)構(gòu)，提取直接電子和散射電子波包的相位差。然 后，利用提取到的相位差，根據(jù)公式Δφτ_ = >/士 - tj + α計算得到原子散射振幅的 相位，其中△ <i>TDSE為從測量的光電子干涉譜分析得到的直接電子和散射電子波包的相位 差，k_L為垂直激光偏振方向的動量，tr和ti為散射電子的碰撞時間和電離時間，α為散射振幅 的相位，即需要探測的量。
[0025]本發(fā)明提供的基于光電子全息成像探測原子結(jié)構(gòu)的方法，如圖1所示，具體步驟如 下：
[0026] (1)運用中紅外波段(800nm到1200nm)線偏振飛秒激光與待探測的原子作用，激發(fā) 原子電離；利用冷革G反沖粒子動量成像譜儀（cold target recoil-ion momentum spectroscopy，C0LTRIMS)或粒子速度影像儀（velocity map imagery，VMI)獲取原子的二 維光電子動量譜。在光電子動量譜中存在各種復(fù)雜的干涉結(jié)構(gòu)，其中垂直于激光偏振方向 上，有前向散射電子與直接電子之間產(chǎn)生的全息干涉結(jié)構(gòu)。
[0027] (2)電離電子可能產(chǎn)生周期間的干涉等在平行于激光偏振方向的干涉結(jié)構(gòu)，對全 息結(jié)構(gòu)的提取造成很大的誤差和困難。本發(fā)明中利用移動平均法消除平行于激光偏振方向 的散射結(jié)構(gòu)。即在光電子動量譜中，某一平行偏振方向的動量k| |取窗口范圍（k| |-0