科學研究:

研究方向:
超短、超強激光與物質的相互作用及其相關的應用研究是當前國際上現代光學乃至現代物理學中一個非常重要的前沿研究領域。張敬濤研究員長期致力于原子分子光物理研究,在強激光場中原子、分子的多光子電離和高次諧波生成等研究中學有專長,其發表在國際主流刊物如Phys. Rev. Lett.、Phys. Rev. A等的數十篇文章中,成功解釋了一系列實驗觀測并預言了若干有待觀測的新現象,發現了新規律,提出了新應用,部分研究結果被他人證實。
張敬濤研究員主要科研工作包括三部分:
1)系統研究了強激光場中原子分子的多光子電離和高次諧波生成現象。首次發現了光電子角分布噴射結構的產生和演化的機制,并發現噴射結構數目的反常增加和減少的情況[Phys. Rev. Lett. 97, 193002 (2006) ];在氫負離子的多光子離解研究中,首次用無參數理論重現了國際上通用的多參數的分波法處理結果;成功展示了周期量級超短激光脈沖中原子電離的位相相關現象,并首次闡明了光電子角分布隨光電子能量、激光場的變化規律;在雙原子分子特有的電離抑制現象研究中,發現了電離抑制現象隨激光強度增加而出現和消失的現象以及光電子能譜的調制現象;在雙原子分子的高次諧波生成研究中,展示了分子結構對諧波譜的調制現象;首次提出利用光電子的角分布來推斷分子庫侖勢的變化,并首次確立了電子之間庫倫排斥對多電離電子關聯分布的影響等。
2)在國際上首倡多光子電離過程中光電子角分布滿足的標度定律,并用于確定強激光場中的等價物理過程。我們在光電子角分布的研究中首次提出標度定律,進而在光電子能譜、雙電離的動量分布以及高次諧波能譜中驗證了標度定律。根據標度定律我們發現,強激光場與原子的相互作用決定于三個無量綱的參數;保持這三個參數不變,強激光場中電子的微觀動力學過程不變,因而可以用于確定等價微觀電子過程。借助標度定律,我們確定了Nature Physics [7, 464, 2011]報導的高次諧波能譜的巨共振結構的物理機制,首次建立了諧波譜和原子態波函數的對應關系,并預言了光電子能譜也存在類似的結構[Phys. Rev. Lett. 110, 063002 (2013)]。該研究把原來只能對分子軌道成像的方法,拓展到可以對原子定態波函數進行成像;并首次提出操縱激光場的頻率和強度,利用生成的諧波實現分子內殼層軌道的成像;借助標度定律選擇激光參數,我們展示了圓偏振的強激光場中惰性氣體原子雙電離率增長的Knee結構,證實了圓偏振激光場中周期性軌道的普遍性,以及由此導致的雙電離率的Knee結構的普遍存在[Phys. Rev. A 95, 013402 (2017)]。
3)研究了強激光場中全過程的Kapitza-Dirac效應,預言了電子譜存在邊帶現象,確立了電子發生KD效應的臨界強度[Phys. Rev. Lett. 92, 233603 (2004)];首次理論展示了光電子束的大角度分裂現象和分子結構對光電子束分裂的影響,討論了利用分子趨向控制光電子電離后的運動;首次發現了電子發生衍射的臨界激光強度和光電子角分布的多重分裂。
上述研究在本領域主流國際刊物上發表高質量學術論文近30篇,其中包括在Phys. Rev上發表文章20余篇;相關研究結果得到國內外同行學者的重視,部分研究結論被他人證實或重現,多次得到國家自然科學基金資助并出色完成了相關科研任務(目前兩項在研),并獲得上海市科委青年科技啟明星項目以及追蹤項目的資助。
承擔科研項目情況:
張敬濤研究員作為課題負責人,先后承擔國家自然科學基金四項,其中兩項(60408008,10774513)已經結題,兩項在研(61078080,11174304,其中已結題的自然科學基金青年項目(60408008)總體評價為優秀。張敬濤研究員獲得上海市青年科技啟明星項目以及后續擇優資助(05qmx1475, 08QH1402400)。
[1] 張敬濤.國家自然科學基金(面上項目):強激光場中重散射的光電子及高次諧波的標度定律及應用研究,結題.
[2] 張敬濤.國家自然科學基金(面上項目):原子、分子中電子軌道成像的一種新方法研究,在研.
[3] 張敬濤.校學術創新團隊:《光電子物理與器件研制》創新團隊,在研.
[4] 張敬濤.國家自然科學基金(面上項目):強激光激發原子、分子產生雙電離的過程中電子的關聯效應研究,在研.
主要科研成果包括:
一,采用非微擾量子電動力學的理論,對強激光場中原子的多光子電離進行了系統的研究,解釋了不同的實驗觀察,預言了有待實驗觀測的新現象,提出并確立了多光子電離服從的標度定律。
多光子電離是強激光與原子相互作用的基本物理現象之一,是強場條件下的光電效應。對多光子電離開展研究,不僅有助于人們探索強場條件下的基本物理過程,發現新的物理規律,而且它提供了人們一種探測物質結構的新方法。我們對多光子電離的研究,主要包括光電子的角分布、能譜以及母核庫侖勢的影響。具體包括以下幾個方面:
A)發現了光電子角分布噴射結構的產生和演化的機制,從理論上確立并成功解釋了國際上多個著名實驗小組的實驗觀測,確立了光電子角分布隨光電子能量的變化規律。研究發現,噴射結構是由多光子電離的內稟特性造成的,多光子電離的幾率幅由一個復合貝賽爾函數描述,光電子角分布的噴射結構則由該函數的振蕩形成 [J. Phys. B 35, 4809 (2002)]。進一步研究發現噴射結構數目的反常增加和減少的情況,推翻了國際上流行的將噴射結構與角動量相聯系的解釋[Phys. Rev. Lett. 97, 193002 (2006) ]。
B) 研究了氫負離子的多光子離解,證實了隨著激光強度增加光電子角分布出現的anomaly現象的實驗觀測,預言了光電子角分布的高階anomaly結構[Phys. Rev. A 76, 015401 (2007)],并進一步闡明了光電子角分布隨激光強度和頻率的變化規律,確立了有質動力參數在離解過程中的核心作用[Phys. Rev. A 74, 025402 (2006)]。該研究首次用無參數理論重現了國際上通用的多參數的分波法處理結果,“對光電子角分布的特征給出了一個簡單的物理解釋”。
C) 發現電子角分布服從的標度定律[Phys. Rev. A 68, 043404 (2004)]。該定律將光電子的角分布與原子的結合能、激光強度、光電子的能量相聯系,確立了強場原子物理現象的三個基本物理參數,使得實驗物理學家易于選擇實驗參數,使得理論物理學家確定等價角分布并和實驗比較。后續的研究表明,該定律不僅適用于原子的電離問題,而且適用于其他強場物理現象,如高次諧波生成,負離子的強場離解,以及電子的Kaptiza-Dirac衍射效應等,是強場原子物理現象的重要規律。
D) 再現了光電子能譜的平臺結構和截止特性,確立了光電子重散射效應的物理機制。研究表明,平臺起始區的光電子源于直接出射和重散射兩部分,前者受母核庫侖勢的變化影響不明顯,而重散射的光電子受庫侖勢的影響非常顯著。這使得我們可以根據平臺區光電子的角分布來推斷母核庫侖勢的情形[Phys. Rev. A 84, 043418 (2011)]。這一研究結果對目前國際上采用的利用重散射光電子的能譜來推斷庫倫勢的散射截面提供了補充,還可以用于探測分子的母核庫侖勢的變化。
E) 首次提出并采用不同方法驗證了重散射光電子滿足的標度定律[Opt. Express 19, 20849 (2011)];該定律表明,重散射的光電子其能譜和角分布滿足與直接出射的光電子同樣的標度定律,但標度變換下重散射的光電子能譜的絕對改變決定于電子的初始分布,因而可以用于探測和重建電子的初始狀態。對于重散射的光電子,標度定律為人們在利用重散射的電子測定庫侖勢的時候提供了一種標準,進而可以研究庫侖勢的細節問題,因而在物質分析、軌道重建中有重要應用。
F) 采用Coulomb-Volkov態來描述激光場中電子的狀態, 研究了庫侖勢對原子多光子電離的影響[Phys. Rev. A 75, 043403 (2007)],探討了原子與激光相互作用過程的規范問題,首次在速度規范的原子波函數上添加Moller算符,得到了與長度規范一致的光電子角分布;進而首次在速度規范下得到了橢圓偏振激光場中光電子角分布的不對稱性,并探討了不對稱性隨光電子角分布隨激光強度、偏振度的變化[Phys. Rev. A 77, 043417 (2008)]。
G) 發展了激光與原子相互作用的非微擾量子電動力學理論,并建立了相應的計算方法,研究了強激光場激發原子多光子電離過程中庫侖勢的重要體現之一—Freeman共振現象,建立了強激光場中原子的能級移動與激光場的關系,確定發生Freeman共振的激光強度 [Phys. Rev. A 80,053417(2009);Atomic Data and Nuclear Data Tables 96,341(2010)]。本項工作首次在嚴格的數學基礎了研究了強激光場中原子的庫侖勢對多光子電離的影響,為光電子的重散射提供了新的研究方法,同時該理論可以用來精確測量激光場的強度;這種根據物理效應來測量激光強度的方法,我們稱之為激光場的物理測量,明顯區別于現在的幾何測量方法。
H) 研究了實驗觀測到的中紅外激光場驅動的氙原子的諧波生成現象,再現了其能譜中的“巨共振”結構,預言了中紅外激光驅動的氙原子的光電子譜中存在的巨增強結構[Phys. Rev. Lett. 110, 063002 (2013); Laser Phys. 85, 023802 (2013)]。研究發現,所謂的巨共振結構,實際上反映了氙原子5P電子徑向波函數的變化,諧波譜的最小值由動量空間徑向波函數的節點形成。根據這一觀點,相同條件的激光場驅動的氙原子的光電子譜中,也可以觀測到譜的最小值和隨后的增強結構。這為利用諧波重現原子分子的波函數提供了更加直接的方法,同時也提出了利用光電子的能譜重現原子分子的波函數。Phys. Rev. Lett. 的審稿人評論道:本文在相關研究中增加了新的物理內容。
二,研究了周期量級超短激光脈沖中原子的多光子電離,展示了位相相關的光電離現象,探討了利用超短激光脈沖對光電子運動的相干控制。
隨著激光脈沖壓縮技術的進步,現在已經可以將激光脈沖的寬度壓縮到數飛秒,從而一個激光脈沖只包含幾個光學振蕩。這種高強度的周期量級超短激光脈沖與物質的相互作用開辟了極端超快非線性光學的最前沿,位相相關的光電離現象是其中的重要研究內容之一。我們采用非微擾的量子電動力學理論,用三個激光模式模擬超短激光脈沖,成功展示了其中的位相相關現象,并確立了極端光學條件下多光子電離滿足的標度定律。具體如下:
A),成功展示了周期量級超短激光脈沖中原子電離的位相相關現象,并首次闡明了這些現象隨光電子能量、激光強度及脈寬等產生和演化的規律。研究發現位相相關的現象與光電子角分布的反演不對稱性相聯系,而后者由電離過程中的多個量子躍遷通道之間的干涉效應導致;光電子的角分布由光電子的能量、激光脈沖的初始位相、脈寬、偏振、峰值強度以及靶原子的離化勢等因素共同確定 [Phys. Rev. A 68, 013402 (2003);ibid 69, 043409 (2004); ibid 69, 053410(2004)]。
B),理論上首次提出并確立了周期量級超短激光脈沖中光電子角分布的標度定律[Opt. Express 15, 7261 (2007)],并采用數值模擬的方法予以驗證Optical Express 13, 8708 (2005)]。研究發現,極端光學條件下,原子的多光子電離仍舊滿足長脈沖條件下的標度定律,但由于周期量級超短激光脈沖的光場分布隨著初始相位和周期數變化,需要額外的參數把光場確定下來。一旦光場分布確定了,標度定律仍舊成立。這再一次表明標度定律揭示了光原相互作用的本質特征。根據標度定律,我們發現:加深原子的勢阱深度,降低脈沖的載波頻率,提供脈沖的峰值強度都有利于位相相關現象的實驗觀測,因而為位相相關的現象的實驗觀測提供了參考。
C), 研究了周期量級超短激光脈沖中氫原子的多光子電離,成功展示了電離過程中的位相相關現象。結果表明,隨著激光強度的增加,位相相關現象可以在較長的脈沖中觀測到。這一研究結果與我們根據標度定律得到的結論一致,也首次從理論上證實了愛爾蘭科研家Gurtler等人最近的實驗觀測[PRL92, 033002(2004)],并用多通道量子干涉的理論予以解釋[Eur. Phys. J. D37, 457(2006)] 。
三,強激光場中電子的Kapitza-Dirac效應研究取得若干進展。
Kapitza-Dirac效應在近代物理發展史上有重要的地位。它是由兩位Nobel物理獎得主Kapitza和Dirac共同提出的一個效應,指的是電子穿過光的駐波后發生的折射現象。該效應不僅是對量子力學中物質波假設的一個檢驗,也提供了控制物質波的分流和折射的一個有效手段。近來,隨著玻色愛因斯坦凝聚的成功觀測,利用該效應控制和分流玻色愛因斯坦凝聚物質波的應用研究也必將展開。然而,相關的理論研究還處在起步階段。我們采用非微擾的量子理論,對強激光場中的Kapitza-Dirac效應開展研究并取得若干進展,具體如下:
A),研究了強激光場中全過程的Kapitza-Dirac效應,預言了電子譜存在邊帶現象和不同激光強度下電子譜的變化規律,確立了電子發生Kapitza-Dirac效應的臨界強度[Phys. Rev. Lett. 92, 233603 (2004)]。利用兩個激光模式模擬緊聚焦的駐波激光場,首次重現了Batelaan等人發表在Nautre雜志上的實驗觀測,并提出利用強激光場中的Kapitza-Dirac效應實現了電子束的相干控制如分流和反射等。
B),研究了強激光場與分子作用中半過程的Kapitza-Dirac效應,展示了光電子束的大角度分裂現象,探討了分子結構對光電子束分裂的影響。研究發現,分子結構并不改變分裂角的大小,但改變了分裂后電子束的比例,從而可以控制光電子電離后的出射方向[Opt. Express 19 (25), 24858 (2011)];同時我們還發現,隨著激光強度的增加,當有質動力參數越過1時,有一對小峰從分裂中心產生,從而呈現多重分裂。這一全新的現象有待進一步實驗觀測[J. Opt. Soc. Am. B 27,714(2010)]。
四,研究了強激光場中分子的多光子電離和高次諧波生成,展示了分子結構導致的新現象,提出了利用光電子的角分布確定分子結構的新方法。
分子是一個多原子體系,有確定的結構,強場中分子的動力學也表現出許多新的現象。探索并揭示分子結構導致的新現象,加深人們對強場物理過程的認識,利用這些新現象來確定分子的結構,是研究強場分子物理的重要研究內容。我們利用雙原子分子的特點,用雙中心干涉理論,成功解釋了雙原子分子多光子電離的電離抑制現象和高次諧波生成中的極小值現象。具體如下:
A)研究了雙原子分子多光子電離所特有的電離抑制現象,闡明了電離抑制與分子結構、激光強度的關系,發現了電離抑制現象隨激光強度增加而出現和消失的現象。研究發現,分子中的原子可以視為強激光場中電子波包的相干發射源,不同源的電子波包之間相互干涉而改變了電離率,導致了分子電離率的抑制和增強。我們還發現,即使電離率沒有明顯變化,雙中心干涉也可以導致電子能譜的調制[Phys. Rev. A78, 043411 (2008)]。
B)研究了雙原子分子在激光場中的高次諧波生成,展示了分子結構對諧波譜的調制現象,并探討了雙中心干涉的極小值隨激光強度移動的物理機制。研究發現,對于單個量子通道,由雙原子分子導致的雙中心干涉導致諧波譜的干涉極值隨激光強度線性變化,這與實驗觀測一致;但對于多個量子通道,量子干涉導致這種變化并不明顯[Phys. Rev. A83, 023417 (2011)]。
C) 研究了強激光場中氧分子的高次諧波生成,探討了不同分子軌道產生的諧波對總諧波生成的貢獻,首次展示了電離過程中分子結構導致的干涉效應對分子諧波產量的影響[Phys. Rev. A88, 033826 (2013)]。研究發現,低強度的諧波主要來自于最高占有軌道,而隨著激光強大的增加,內層軌道產生的諧波逐漸增強,并最后主導整個產生的諧波。這種變化是由于電離過程中的干涉效應導致的。回跳過程中的干涉效應已經為大家所熟知,而該研究首次明確了電離過程中的干涉效應的存在及其宏觀效應,并可以用來進行內層軌道的層析重建。
D)研究了分子多光子電離過程中分子取向的影響,首次提出利用圓偏振激光場中的多光子電離確定分子結構的新方案。該方案簡單易行,不受激光場各種不確定因素的影響。對于簡單分子,還可以確定其分子間距;對于復雜分子,則有望直接確定其價電子分布。這一方案有望為探測復雜分子的內部結構提供一條簡單易行的新方法[Eur. Phy. J. D 51, 401 (2009);Chin. Phys. B 19,023202(2010)]。
E)采用兩束長脈沖模擬單周期脈沖鏈,研究了周期量級超短激光脈沖中氫分子的多光子電離,展示了其中位相相關的現象。研究發現,超短脈沖中分子的多光子電離的光電子角分布受到分子趨向、成鍵狀態以及光脈沖的載波-包絡相位多種因素的共同影響,可以利用這些因素實現對分子的選擇電離和對光電子微觀運動的宏觀操控[Phys. Lett. A 373, 227 (2009)]。
等等。這些工作原創性工作在相關研究中處于領先地位。
論文專著:

發表英文論文:
1. Chen Xiang,張敬濤. Knee structure in double ionization of noble atoms in circularly polarized laser fields. PHYSICAL REVIEW A,2017,95(1):013402.
2. Shansi Dong,張敬濤,Chen Xiang,Ren Xianghe. Pulse-duration effect in nonsequential double ionization of Ar atoms. PHYSICAL REVIEW A,2016,93(05):053410.
3. 閆愛民,Ting-Chung Poon,張敬濤,胡志娟. Optical image encryption using optical scanning and fingerprint keys. JOURNAL OF MODERN OPTICS,2016,1206981(1206981):1-6.
4. 閆愛民,胡志娟,張敬濤. Chirped pulse distortion in stratified volume reflection gratings. OPTIK,2016,127(9):4053-4056.
5. 張敬濤,張自龍. Transition of correlated-electron emission in nonsequential double ionization of Ar atoms. OPTICS EXPRESS,2015,23(6):7044-7052.
6. 董善思,張敬濤,Zhang Zilong,Bai Lihua. Scaling law of nonsequential double ionization. PHYSICAL REVIEW A,2015,92(03):033409.
7. 趙振宇,宋志強,石旺舟,張敬濤. Feasibility of terahertz generation and detection in 3C-SiC single crystal. JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS PART 1-REGULAR PAPERS SHORT NOTES & REV,2015,54(8):082601-1~082601-6.
8. 張自龍,張敬濤,白麗華. Double ionization of Ar below the recollision threshold intensity. PHYSICAL REVIEW A,2014,90(2):023410.
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14. Jingtao Zhang, and D.-S. Guo, The spectral minimum in the harmonics generated from xenon atoms driven by intense mid-infrared laser pulses, Laser Phys. 23, 085302 (2013).
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43. Li Xiaofeng, Zhang Jingtao, Xu Zhizhan, Panming Fu, Dongsheng Guo, R. R. Freeman. Theory of the Kapitza-Dirac Diffraction Effect. Phys. Rev. Lett. 92(23), 233603 (2004).
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