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磁光阱冷却及等离子体环境下的原子光电离研究

作　者: 黄巍
导　师: 薛平
学　校: 清华大学
专　业: 物理学
关键词: 冷原子 等离子体 光电离截面 强场 高次谐波
分类号: O562.4
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


在极端场强、超低温度等极端物理条件下，光场与物质的相互作用会呈现一系列全新的物理现象，随着高新技术的发展，使得在实验室就可实现这样得特殊条件。离子、原子、分子的囚禁、冷却和操控以及外加强场、等离子体等条件下原子分子结构和动力学行为研究，是当今国际上原子分子物理学的主要研究领域。一方面激光冷却技术的发展，使得极低温度的原子体系已经成为一个重要的实验工具。通过光电离冷原子的方法，可以得到近强耦合的超冷等离子体，这一全新的体系对于研究高温高密强耦合等离子体以及等离子体中的原子物理过程具有重要价值。而激发态光电离截面是激发态原子光电离过程及生成超冷等离子体的重要参数。另一方面，等离子体环境会影响激光与原子的相互作用，当强场超短脉冲激光与原子作用时，等离子体屏蔽效应会影响高次谐波产生的全部三步过程。本论文的具体工作包括实验和理论两个部分。实验上，搭建了一套基于磁光阱的冷原子光电离实验系统。本人参与了磁光阱系统的搭建工作，并负责完成了以FPGA卡为核心的时序控制系统的研发和电离光系统的设计和实现。在冷原子光电离实验中，用多种和磁光阱原子动力学行为相关的实验方法，首次测量并得到了电离光波长为405nm、450nm、473nm时87Rb原子5P3/2态的绝对光电离截面。实验研究表明，激发态比例因子是光电离截面测量结果的主要误差来源；同时，因为电离光光斑要大于冷原子云的尺寸，实际起电离冷原子作用的电离光功率要比平均功率大，实验中需要对测量得到的电离光功率进行修正，修正系数与电离光光斑、冷原子云的尺寸有关。理论上，用库仑波函数离散变量表象和二阶劈裂算符时间演化直接非微扰求解三维含时薛定谔方程的方法，首次系统研究了等离子体对强场超短脉冲激光与原子相互作用微观过程的影响。计算结果表明，等离子体对原子电离速率及电离机制、连续态电子在激光场和中心势作用下的运动过程以及电子与离子复合的三个过程都有影响。表现在高次谐波发射谱和由高次谐波得到的阿秒脉冲串都随着德拜屏蔽常数的取值不同而发生改变。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章 引言  9-12
  1.1 选题的目的和意义  9-11
  1.2 论文组织结构  11-12
第2章 磁光阱中原子光电离实验系统  12-31
  2.1 本章引论  12-14
  2.2 磁光阱原理简介  14-16
  2.3 磁光阱系统  16-20
    2.3.1 激光器和光路  16-17
    2.3.2 磁场线圈的数值模拟和实现  17-19
    2.3.3 真空系统的构成和参数指标  19-20
  2.4 探测和数据采集系统  20-21
  2.5 电离光系统  21-23
  2.6 时序控制系统  23-28
    2.6.1 利用 FPGA 实现计算机控制的时序控制系统  23-26
    2.6.2 DG535 实现时序控制  26-27
    2.6.3 时序信号放大电路  27-28
  2.7 本章小结  28-31
第3章 冷原子的光电离实验和激发态光电离截面的测量  31-55
  3.1 本章引论  31-32
  3.2 磁光阱中的原子动力学  32-36
  3.3 405nm 的实验结果及讨论  36-38
  3.4 473nm 的实验结果及讨论  38-49
    3.4.1 碰撞损失速率和荧光强度比的测量  39-40
    3.4.2 电离光功率密度的测量及修正  40-45
    3.4.3 数据拟合  45-46
    3.4.4 激发态比例因子  46-47
    3.4.5 光电离截面的结果和讨论  47-49
  3.5 450nm 的实验结果及讨论  49-53
    3.5.1 方法一  49-50
    3.5.2 方法二  50-53
  3.6 本章小结  53-55
第4章 等离子体环境下强场激光与原子相互作用  55-86
  4.1 本章引论  55-57
  4.2 理论方法简介  57-60
  4.3 等离子体环境激光与氢原子相互作用计算结果及讨论  60-84
    4.3.1 等离子体屏蔽对原子能级和基本参数的影响  62-64
    4.3.2 等离子体屏蔽对原子布居动态分布的影响  64-66
    4.3.3 等离子体屏蔽对高次谐波发射的影响  66-73
    4.3.4 等离子体屏蔽对超短脉冲串的影响  73-75
    4.3.5 等离子体屏蔽对电子波包运动的影响  75-84
  4.4 本章小结  84-86
第5章 结论和展望  86-89
  5.1 论文工作总结  86-87
  5.2 展望  87-89
参考文献  89-95
致谢  95-97
附录 A FPGA 电路部分的 VHDL 语言描述  97-101
附录 B 原子单位  101-102
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  102

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 分子物理学、原子物理学 > 原子物理学 > 原子间的作用、激发与电离
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