[发明专利]一种探测里德堡原子光电离显微成像的方法

说明书

本发明公开了一种探测里德堡原子光电离显微成像的方法，该方法利用含时的半经典理论方法，通过改变里德堡原子的标度能量，并改变振荡电场的频率获得了比较清晰的光电离显微成像的干涉图样，通过改变探测平面的位置，可实现在宏观尺度上直接观察到电子波函数的振荡结构，公布的光电离显微成像的方法使得人们对微观粒子波函数的观测变成了现实，光电离显微干涉图样的成像方法对相关领域实验结果的分析和实验现象的解释、以及仪器设备的优化具有重要意义，本发明不仅为光电离显微镜的研发及实验研究提供一定的理论指导，而且在天体物理、等离子体物理、离子囚禁、半导体微联接器件的设计及研发等高科技信息技术领域有重要应用前景。

技术领域

本发明属于光电信息技术领域，具体涉及一种探测里德堡原子光电离显 微成像的方法。

背景技术

随着激光技术的发展，激光与原子分子相互作用成为人类探索物理结构 属性和物理规律的重要手段。随着互联网大数据和高容量信息的发展，电子 学的发展出现出一定的局限性。由于光子的速度要快得多，光的频率比无线 电的频率高得多，为提高传播速度和载流密度，由电子到光子的发展是必然 趋势，它会使新一代信息技术的发展产生突破。目前，信息的检测、传输、 存储、显示、运算和处理已由光子和电子共同参与完成，所产生的光电子学 技术已被应用到信息技术领域。光电子学在国家安全与经济竞争方面有着深 远意义和潜力。其中，里德堡原子在强场中的光电离过程是产生光电子的一 个重要的途径。在物理学中，强场中原子光电离的研究属于原子分子物理学 的前沿领域，是研究经典力学和量子力学之间联系的典型实例。进人21世纪 以来，量子力学已经成为人们对原子、离子和分子等微观体系进行研究和分 析的主要工具。外场中的原子发生光电离后，光电离电子将表现出丰富的动 力学效应，对其研究可以促进光电子技术的发展，在实验和理论上得到了广 泛地关注。随着强场物理的发展，物理学家对微观粒子波函数的观测已经从 假想变成了现实。当里德堡原子在电场中发生电离时，如果在垂直于电场方 向放置一探测器，就可以通过记录光电离电子的空间干涉图样和时域电子流 分布，从而对光电离电子的动力学行为开展详细的研究。在空间域记录电离 电子干涉图样的过程中，如果使用静电透镜将电离电子投影到位置敏感探测 器上，此即所谓的光电离显微成像技术。利用光电离显微成像技术，人们可 以在宏观尺度上直接观察到电子波函数的振荡结构，因此该技术提供了用宏 观观测仪器直接观察微观粒子量子特性的方法。在前人的研究中，主要集中 在静止的电场和磁场中里德堡原子光电离显微的研究，对于在振荡电场中里 德堡原子光电离显微干涉图样的研究，国内外的研究未见报导。因此，本发 明公布的里德堡原子在含时振荡电场中光电离显微成像的研究填补了国内外 的研究空白。

发明内容

本发明的目的在于提供一种探测里德堡原子光电离显微成像的方法，以 解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种探测里德堡原子光电 离显微成像的方法，该方法利用含时的半经典理论方法，结合振荡电场调控 电子的经典运动轨迹，通过半经典方法构造体系的波函数，进而对探测平面 上光电离显微成像的干涉图样进行观测，具体包括如下步骤：

S1、用一束激光照射处在振荡电场中的原子，当氢原子中的电子吸收能 量后，将电子从基态跃迁到高激发态，实现光电离过程；

S2、施加外部的振荡电场，写出光电离电子在振荡电场和库仑场中的哈 密顿量H，将哈密顿量进行标度变换，得到标度变换以后的哈密顿量，为了求 解哈密顿正则方程，需要消除方程在原点的奇异性，引入抛物线坐标(u，v) 及其共轭动量，同时定义一个新的时间变量的定标时间变量，从而得到实际 的哈密顿量h；由于库仑力和外加的振荡电场力的作用，电子运动一段时间后， 可以到达与电场垂直方向的探测平面上，当有两条或者是两条以上的电子轨 迹同时到达探测器平面上的同一点时，相应的电子波之间的干涉会导致探测 平面上出现一系列干涉图案；