一种基于光电子全息成像探测原子结构的方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于强场激光与原子或分子相互作用领域，更具体地，涉及一种基于光电 子全息成像探测原子结构的方法。
【背景技术】
[0002] 原子散射振幅是原子分子物理的一个基本物理参数。通常，人们利用电子束去撞 击原子，然后从散射的电子谱提取散射振幅的信息。这样测量到的信息是散射振幅的幅值。 我们知道，散射振幅是一个复数，它既有幅值，同时还有相位。要测量散射振幅的相位，需要 两个相干的电子束。一束电子与原子不发生作用直接到达探测器，另一束电子被原子散射 后到达探测器。这样探测的电子谱中会出现干涉结构。从这些干涉结构中能够提取原子散 射振幅的相位信息。这种探测相位的原理非常简单，但是在实验上却很难实现。因为很难产 生两束完全相干、电子密度足够大并且能够任意控制的电子束。
[0003] 强场激光与原子或分子相互作用，会使原子或分子电离。电离的电子，有一部分能 够直接到达探测器，这些电子叫做直接电子。另外一些电子在激光电场的作用下做振荡运 动，能够返回来，与母离子发生碰撞，这些返回来的电子就叫做散射电子。这部分返回来发 生碰撞的电子与传统的电子散射试验中的电子束一样，携带了原子散射振幅的信息。同时 由于直接电子和散射电子是完全相干的，因此，最后探测到的电子谱会呈现干涉结构。2011 年，发表在《Science》上的一篇文章报道了这种干涉结构。这种干涉结构跟Gabor提出来的 光学全息成像的物理过程一样，直接电子作为参考波，散射电子作为信号波。因此人们把这 种干涉结构叫做强场光电子全息图。人们知道，这种全息图中包好了原子的结构信息。但 是，如何利用这种全息图，探测原子散射振幅的信息，还是一个未解决的问题。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于光电子全息成像探测原子结构的方 法，目的在于利用强场电离的光电子全息成像的方法，通过分析测量到的光电子全息图，探 测原子散射振幅的相位信息。
[0005] 本发明提供了一种基于光电子全息成像探测原子结构的方法，包括下述步骤： [0006] (1)通过中红外波段线偏振飞秒激光与待探测的原子作用激发原子电离;并获取 原子的二维光电子动量谱；
[0007]在所述二维光电子动量谱中，垂直于激光偏振方向上具有前向散射电子与直接电 子之间产生的全息干涉结构；
[0008] (2)利用移动平均法滤除所述二维光电子动量谱中平行于激光偏振方向的干涉结 构，获得垂直于激光偏振方向的全息干涉结构g(k_L)cosA4>:TDSEi;
[0009] (3)对所述垂直于激光偏振方向的全息干涉结构进行归一化处理后获得全息干涉 结构附加相位cos Δ φ TDSE;
[0010] (4)根据所述全息干涉结构附加相位cosA φτ·和公式Δφτ1)5Ε =卩k±2(tr-ti) + α计算原子散射振幅的相位α;
[0011] 其中，k_L为垂直激光偏振方向的动量，tr为散射电子的碰撞时间，ti为散射电子的 电离时间。
[0012] 更进一步地，在步骤(1)中，利用冷靶反冲粒子动量成像谱仪或粒子速度影像仪获 取原子的二维光电子动量谱。
[0013]更进一步地，步骤(3)具体为：
[0014] 获得垂直于激光偏振方向的全息干涉结构曲线的极大值、极小值，并采用高斯函 数进行拟合，得到附加的高斯包络；
[0015] 将垂直于激光偏振方向的全息干涉结构除以高斯包络后，并对其进行归一化：即 除以再次进行高斯函数拟合所得的g(k±)，获得所述全息干涉结构附加相位cos △ Φμε。
[0016] 通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于将强场电离产生的全 息干涉结构与提取原子结构信息相结合，分析提取出干涉结构中包含的原子结构信息；能 够获得不易从实验中提取的原子散射振幅相位项这一原子结构固有信息，从而获得对原子 结构更加全面清晰的认识。对以后更进一步地研究量子力学中的散射现象及粒子结构有帮 助。本发明能够达到获取原子和分子物理中重要的固有信息：原子的散射振幅这一有益效 果。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明提供的基于光电子全息成像探测原子结构的方法的实现流程图；
[0018] 图2为本发明第一实施例的工作原理图。（a)激光脉冲电场图；（b)电离电子运动轨 迹示意图；（c)光电子动量谱中的干涉条纹，即为全息结构。
[0019] 图3为本发明第一实施例单光周期激光脉冲驱动下的光电子动量谱，可见明显的 全息结构以及平行偏振方向的周期内的干涉。
[0020] 图4为本发明第一实施例提供的光电子动量谱提取原子散射相位的过程以及提出 的散射振幅相位结果;其中（a)为光电子动量谱在垂直激光偏振方向的干涉结构；（b)为从 (a)的干涉结构中提取的光电子谱相位信息，即归一化的cos Δ c})TDSE;(c)中黑色小方框为 从(b)的相位得到的散射振幅相位α，并与理论计算(黑色实线）的精确结果比较。
[0021]图5为本发明第二实施例中在超短激光脉冲(few-cycle pulses)驱动下的原子电 离得到的光电子动量谱，已利用移动窗口平均法尽量消除平行偏振方向的干涉结构。
[0022]图6为本发明第二实施例中从图5的光电子动量谱提取的原子散射相位以及理论 计算得到的散射振幅相位。
【具体实施方式】
[0023]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0024]在本发明中，利用中红外波段的飞秒激光，作用于待探测的原子上，测量激光电离 原子的电子的二维动量谱。测量的动量谱在垂直于激光偏振方向会出现非常明显的干涉结 构，即光电子全息图。通过分析这种干涉结构，提取直接电子和散射电子波包的相位差。然 后，利用提取到的相位差，根据公式Δφτ_ = >/士 - tj + α计算得到原子散射振幅的 相位，其中△ <i>TDSE为从测量的光电子干涉谱分析得到的直接电子和散射电子波包的相位 差，k_L为垂直激光偏振方向的动量，tr和ti为散射电子的碰撞时间和电离时间，α为散射振幅 的相位，即需要探测的量。
[0025]本发明提供的基于光电子全息成像探测原子结构的方法，如图1所示，具体步骤如 下：
[0026] (1)运用中红外波段(800nm到1200nm)线偏振飞秒激光与待探测的原子作用，激发 原子电离；利用冷革G反冲粒子动量成像谱仪（cold target recoil-ion momentum spectroscopy，C0LTRIMS)或粒子速度影像仪（velocity map imagery，VMI)获取原子的二 维光电子动量谱。在光电子动量谱中存在各种复杂的干涉结构，其中垂直于激光偏振方向 上，有前向散射电子与直接电子之间产生的全息干涉结构。
[0027] (2)电离电子可能产生周期间的干涉等在平行于激光偏振方向的干涉结构，对全 息结构的提取造成很大的误差和困难。本发明中利用移动平均法消除平行于激光偏振方向 的散射结构。即在光电子动量谱中，某一平行偏振方向的动量k| |取窗口范围（k| |-0