【作者】 刘世兴；

【导师】 丁培柱；

【作者基本信息】 吉林大学 ， 原子与分子物理， 2004， 硕士

【摘要】 随着强激光技术的飞速发展，目前实验室已可获得峰值强度达到1020W/cm2的激光脉冲。这极大地推动了激光与物质相互作用的研究，使得激光与原子、分子、团簇相互作用的研究成为基础理论研究中极为活跃的前沿课题。在实验上，强激光技术的引入，使人们有可能从实验上观测到原子或分子在强激光下的瞬态过程，从而导致了现代激光化学的飞速发展，如飞秒化学。飞秒激光技术的发展，使人们对于从实验上实时的观测反应过渡态的演化、过渡态的空间结构、化学反应前后分子之间的矢量关系，从而使深入认识化学反应的规律成为可能。这些实验研究推动了人们对于原子和分子与强激光脉冲相互作用的动力学过程的理论研究，使之成为当今理论研究中极为活跃的领域。 在理论和实验研究中，强激光场中分子解离和电离的动力学过程研究一直是十分活跃的课题之一。虽然激光场中分子动力学的理论研究是极其复杂的问题，但是有关的实验结果却给出了惊人的规律性，例如，电离、解离过程中释放出来的动能和解离、电离的碎片的比率基本上与激光场的性质无关。激光场中分子动力学的理论研究分为两个层面：一是基于 Born-Oppenheimer 近似条件下的研究，二是非Born-Oppenheimer 近似条件下的研究。前者在原子核不动的近似条件下求解电子方程，通过研究电子在激光场中的运动来研究分子的动力学行为。但是由于分子中的原子核在激光场的作用下也受到力的作用， I<WP=70>吉林大学硕士学位论文也在不断地改变运动状态，且与电子之间有很强的相关，因此，人们又逐渐在非 Born-Oppenheimer 近似下研究激光场中分子的动力学，进一步给出了电荷共振增强电离 (CREI)、阈上电离(ATI)和阈上解离(ATD)等理论解释。 很久以前，人们已经开展了氢分子离子H2 的光解离和光电离问题 +的实验和理论研究。如处在 1sσg 电子态（吸引态或成键分子态）的氢分子离子吸收光子后将跃迁到解离态 2pσu(排斥态或反键分子态)。 对于强激光场中原子、分子的动力学过程的理论研究，由于微扰方法不适用了，数值求解 Coulomb 势与激光场共同作用下原子、分子的含时 Schr?dinger 方程的方法逐渐受到人们的重视和采用。但是对于强激光场作用下的多电子原子或多原子分子系统，即便采用目前计算能力最强的计算机，应用量子力学从头算方法数值求解系统的含时Schr?dinger 方程也是极其繁难甚至是不可能的。因此人们又重新采用经典理论来数值研究强激光场中多电子原子或多原子分子的动力学过程，如高频场中分子的稳定性，电离，Coulomb 爆炸以及原子、小分子的高次谐波发射等，并得到了令人满意的结果。 采用经典理论研究分子动力学问题，需要数值求解Newton方程或Hamilton正则方程。过去，数值求解常微分方程常采用Runge-Kutta法和改进的Runge-Kutta法。1980 年代初， Ruth和冯康基于Hamilton系统的基本原理：Hamilton正则方程的解的时间演化是辛变换的演化，提出了Hamilton系统的辛算法。之后，辛算法得到了系统深入地研究，并广泛应用于许多科学领域。例如，辛算法已经应用于量子力学和强场物理、天体力学和大气与海洋科学、等离子体和地学等领域的研究中，并取得了可喜的成果。特别在长时间、多步数的计算中和保持系统的本质属性上显示出极大的优越性。辛算法在化学反应动力学、分子动力学的研究中也得到了广泛应用。Leimkuhler指出分子动力学模拟中使用的振动Newton模型将导致求解一个Hamilton正则方程组，采用辛算法数值求解是合理的。李延欣等和石爱民等分别报告了将辛算 II<WP=71>吉林大学硕士学位论文法应用于A2B模型分子和双原子分子系统的经典轨迹计算，使计算时间较非辛算法延长了 1-2 个数量级，充分显示了辛算法的优越性。 本文选择了氢分子离子这个最简单的分子，作为研究激光场中分子动力学行为的研究对象。本文主要开展了以下研究工作：1）基于经典理论采用经典轨迹方法数值研究了强激光场中 1 维共线氢分子离子H2 ：采用辛算法数值求解激光场中一维共线模型氢分子离子 +Hamilton 正则方程的初值问题，计算了经典轨迹；讨论了存活、解离、电离和Coulomb爆炸等动力学过程的产生机制，利用统计平均方法计算了存活、解离、电离和Coulomb爆炸等动力学行为的几率演化曲线；计算和分析了双色场中一维共线模型氢分子离子的经典轨迹和动力学行为，讨论了与单色场中氢分子离子动力学行为的不同之处。2）采用了 2 维平面氢分子离子模型，应用经典轨迹方法数值研究了强激光场中二维平面模型氢分子离子的动力学行为，采用辛算法求得了大量的经典轨迹，分析了二维模型氢分子离子动力学行为的产生机制，利用统计平均方法计算了二维模型氢分子离子存活、解离、电离和Coulomb 爆炸等动力学行为的几率演化曲线，说明了二维模型较一维模型更接近于激光场中真实的氢分子离子。还计算和研究了引入平行于二原子核连线方向和垂直于连线方向的两更多还原

【Abstract】 With the development of the intense laser technology, the short-pulselaser with the maximun energy about 1020W/cm2 can be obtained in recentexperiments, which prompt the research on the interaction betweenmaterials and intense laser field. Those surprising developments make theresearch on the atom, molecule and cluster physics of intense laser fieldbecome the very interesting and excited new topics in the basic theoryresearch. Because the laser technology is introduced in experiments, it ispossible to observe the transient process of atomic or molecules in anintense laser pulse, which brings on the development of modern laserchemistry, for example the femtosecond chemistry. Recently, thefemtosecond laser technology is developed, which makes it possible thatthe evolvement of reaction transition-state, the space configuration oftransition-state and the vector relation between the molecules of chemicreaction front and after are real time observed on experiment and the lawsof chemic reaction are known deeply. These requirements on experimentpromote the theory research of the dynamic process of the interaction ofatoms or molecules in ultrashort intense pulse, and make it become one ofthe very active research fields now. It is still a very active research task that relates the question ofmolecular dissociation and ionization in the research of theories andexperiments. Though the molecular dynamics in laser fields is a mostcomplicated question, the experiment results present the striking law, forexample, the kinetic that is released on the course of ionization and V<WP=74>吉林大学硕士学位论文dissociation and the ratio of the fragments of the ionization anddissociation are independent of the character of laser fields. There is twolays for the study of the molecular dynamic in the laser fields: the one ofstudies is based on the Born-Oppenheimer approximation condition; theother is under the non-Born-Oppenheimer approximation. The formersolve the equation of electron under the condition that the nuclei do notmove, and research the molecular dynamic by study the movement ofelectrons in the laser fields. But the nuclei get the effect of laser and itsmovement is altered continually, even there is very stronger correlation.So people study the molecular dynamic in the laser field under thenon-Born-Oppenheimer approximation and present the explanation aboutthe charge-resonance enhanced ionization(CREI), above-thresholddissociation(ATD), and above-threshold ionization(ATI). The photodissociation and photoionization of the simplest moleculeH2 has long been the subject of experimental and theoretical study. An +H2 molecule in the 1sσg electronic state and a given rovibrational state +will absorb photons in making a transition to the final dissociating 2pσustate(repulsion state or anti-bonding state). As the laser field is so strong that the traditional perturbation is notsuitable to study the atom-laser and molecule-laser interaction, and thetime-dependent Schr?dinger implies all the physical messages about theatom and the atom-laser interaction, solving numerically time-dependentSchr?dinger equation (TDSE) is one of the popular and the reasonablemethods in present theoretical research. In principle, the dynamicevolution of the atoms and molecules under an intense electromagneticfield should be described with quantum theory (QT). It is still impossibleto numerically solve the time-dependent Schr?dinger equation for themolecules or multi-electron atoms under the intense laser fields byapplying the ab initio even if the best computer today is used. So theclassical theory (CT) is used to study the dynamic behaviors of themolecules and atoms in the intense laser pulse, such as the stabilization ofa molecule in superintense high-frequency laser field, ionization, Coulombexplosion and the high harmonic generation of atomic or small moleculein the strong laser f更多还原