Ionization in damped time-harmonic fields

We study the asymptotic behavior of the wave function in a simple one dimensional model of ionization by pulses, in which the time-dependent potential is of the form $V(x,t)=-2\delta(x)(1-e^{-\lambda t} \cos\omega t)$, where $\delta$ is the Dirac distribution. We find the ionization probability in the limit $t\to\infty$ for all $\lambda$ and $\omega$. The long pulse limit is very singular, and, for $\omega=0$, the survival probability is $const \lambda^{1/3}$, much larger than $O(\lambda)$, the one in the abrupt transition counterpart, $V(x,t)=\delta(x)\mathbf{1}_{\{t\ge 1/\lambda\}}$ where $\mathbf{1}$ is the Heaviside function

Multiphoton Ionization as Time-Dependent Tunneling

A new semiclassical approach to ionization by an oscillating field is presented. For a delta-function atom, an asymptotic analysis is performed with respect to a quantity h, defined as the ratio of photon energy to ponderomotive energy. This h appears formally equivalent to Planck's constant in a suitably transformed Schroedinger equation and allows semiclassical methods to be applicable. Systematically, a picture of tunneling wave packets in complex time is developped, which by interference account for the typical ponderomotive features of ionization curves. These analytical results are then compared to numerical simulations and are shown to be in good agreement.Comment: 36 pages (also printable half size), uuencoded compressed tarred Latex file with 9 Postscript figures included automaticall

Resonance enhanced isotope-selective photoionization of YbI for ion trap loading

Neutral Ytterbium (YbI) and singly ionized Ytterbium (YbII) is widely used in experiments in quantum optics, metrology and quantum information science. We report on the investigation of isotope selective two-photoionisation of YbI that allows for efficient loading of ion traps with YbII. Results are presented on two-colour (399 nm and 369 nm) and single-colour (399 nm) photoionisation and their efficiency is compared to electron impact ionisation. Nearly deterministic loading of a desired number of YbII ions into a linear Paul trap is demonstrated.Comment: 9 pages. Considerably extended and revised version including new dat

Efficient and accurate modeling of electron photoemission in nanostructures with TDDFT

We derive and extend the time-dependent surface-flux method introduced in [L. Tao, A. Scrinzi, New J. Phys. 14, 013021 (2012)] within a time-dependent density-functional theory (TDDFT) formalism and use it to calculate photoelectron spectra and angular distributions of atoms and molecules when excited by laser pulses. We present other, existing computational TDDFT methods that are suitable for the calculation of electron emission in compact spatial regions, and compare their results. We illustrate the performance of the new method by simulating strong-field ionization of C60 fullerene and discuss final state effects in the orbital reconstruction of planar organic molecules

Les interactions photons-matière

L'avènement des lasers a profondément renouvelé les thèmes de recherche de la physique atomique. En particulier, les lasers de puissance ont permis d'étudier le comportement non linéaire d'atomes placés dans des conditions tout à fait inhabituelles. En outre, avec le développement récent de lasers multitérawatt compacts, les chercheurs abordent un domaine encore inexploré de la physique. En effet, les électrons issus de l'ionisation multiphotonique d'atomes oscillent dans le champ laser avec une vitesse proche de celle de la lumière et deviennent relativistes. Cette situation permet d'explorer pour la première fois le régime relativiste de l'interaction laser-plasma

MULTIPHOTON IONIZATION OF ATOMS

L'ionisation multiphotonique d'atomes à un électron, tel que l'hydrogène atomique et les alcalins, est actuellement un sujet accompli qu'on peut traiter par des modèles théoriques rigoureux. Cet article est consacré à l'analyse de l'ionisation multiphotonique d'atomes ayant plusieurs électrons sur la couche externe, et tout particulièrement les gaz rares. Il en résulte l'émission de plusieurs électrons, et la production d'ions multi-chargés. Dans le xénon, par exemple, on peut créer des ions jusqu'à Xe5+. Les ions doublement chargés sont formés, soit par excitation simultanée de deux électrons de l'atome, soit par l'intermédiaire d'ions chargés une fois, selon l'éclairement et la fréquence du rayonnement laser utilisé. Les processus fondamentaux mis en jeu sont beaucoup plus complexes que dans le cas d'atomes à un électron. Un nouveau modèle théorique devra être élaboré, pour introduire les corrélations d'électrons. Enfin, la dernière partie de cet article est consacrée à une description succincte de la compétition qui apparaît à haute pression entre l'ionisation multiphotonique résonnante et la génération d'une fréquence harmonique impaire du laser utilisé.Multiphoton ionization of one-electron atoms, such as atomic hydrogen and alkaline atoms, is well understood and correctly described by rigorous theoretical models. The present paper will be devoted to collisionless multiphoton ionization of many-electron atoms as rare gases. It induces removal of several electrons and the production of multiply charged ions. Up to Xe5+ ions are produced in Xe atoms. Doubly charged ions can be produced, either by simultaneous excitation of two electrons, or by a stepwise process via singly charged ions. This depends on the laser intensity and the photon energy. The basic interaction processes involved are considerably more complicated than for one-electron atoms. A new theoretical model has to be developed to take into account electron correlation effects. Finally, the last part of the present paper will give a brief description of the competition which occurs at high atomic density between resonant multiphoton ionization and generation of odd harmonics of the laser radiation

ATOMS INTERACTING WITH ELECTROMAGNETIC FIELDS, MULTIPHOTON IONIZATION

Des atomes soumis à un rayonnement laser intense peuvent être ionisés en absorbant N photons par l'intermédiaire d'états "virtuels" induits par le champ laser. L'ionisation à N photons varie avec l'éclairement laser I comme IN. L'ionisation multiphotonique est surtout gouvernée par des effets de resonance et des effets de cohérence temporelle du laser. A des éclairements laser modérés (107 - 109 W cm-2) correspondant à l'ionisation à deux, trois ou quatre photons, les effets de résonance jouent le rôle essentiel en comparaison des effets de cohérence. Au contraire, à des éclairements laser très intenses (1012 - 1013 W cm-2) les effets de résonance sont totalement amortis alors que les effets de cohérence conduisent à une augmentation de N! de l'ionisation. En conclusion, on présente quelques nouveaux domaines dans lesquels les processus d'absorption multiphotonique jouent un rôle important.The non linear interaction between an intense laser radiation and atoms leads to ionization through the absorption of N photons from the laser radiation via laser-induced virtual states. The multiphoton ionization rate varies as a function of the laser intensity I as IN. We discuss the two most important effects which govern multiphoton ionization processes : resonance effects and laser-coherence effects. In a moderate laser intensity range (107 - 109 W cm-2) corresponding to the two, three or four-photon ionization of atoms, resonance effects play a dominant role while the photon statistics of the laser radiation are relatively unimportant. On the contrary, in the very high intensity range (1012 - 1013 W cm-2) required to observe large Nth - order ionization processes, coherence effects play a dominant role through N! enhancement in the N-photon ionization rate, while resonance effects are completely damped due to the high laser intensity. We conclude by reviewing the possible applications of multiphoton absorption processes in other fields