科学研究:

研究方向:
超短、超强激光与物质的相互作用及其相关的应用研究是当前国际上现代光学乃至现代物理学中一个非常重要的前沿研究领域。张敬涛研究员长期致力于原子分子光物理研究,在强激光场中原子、分子的多光子电离和高次谐波生成等研究中学有专长,其发表在国际主流刊物如Phys. Rev. Lett.、Phys. Rev. A等的数十篇文章中,成功解释了一系列实验观测并预言了若干有待观测的新现象,发现了新规律,提出了新应用,部分研究结果被他人证实。
张敬涛研究员主要科研工作包括三部分:
1)系统研究了强激光场中原子分子的多光子电离和高次谐波生成现象。首次发现了光电子角分布喷射结构的产生和演化的机制,并发现喷射结构数目的反常增加和减少的情况[Phys. Rev. Lett. 97, 193002 (2006) ];在氢负离子的多光子离解研究中,首次用无参数理论重现了国际上通用的多参数的分波法处理结果;成功展示了周期量级超短激光脉冲中原子电离的位相相关现象,并首次阐明了光电子角分布随光电子能量、激光场的变化规律;在双原子分子特有的电离抑制现象研究中,发现了电离抑制现象随激光强度增加而出现和消失的现象以及光电子能谱的调制现象;在双原子分子的高次谐波生成研究中,展示了分子结构对谐波谱的调制现象;首次提出利用光电子的角分布来推断分子库仑势的变化,并首次确立了电子之间库伦排斥对多电离电子关联分布的影响等。
2)在国际上首倡多光子电离过程中光电子角分布满足的标度定律,并用于确定强激光场中的等价物理过程。我们在光电子角分布的研究中首次提出标度定律,进而在光电子能谱、双电离的动量分布以及高次谐波能谱中验证了标度定律。根据标度定律我们发现,强激光场与原子的相互作用决定于三个无量纲的参数;保持这三个参数不变,强激光场中电子的微观动力学过程不变,因而可以用于确定等价微观电子过程。借助标度定律,我们确定了Nature Physics [7, 464, 2011]报导的高次谐波能谱的巨共振结构的物理机制,首次建立了谐波谱和原子态波函数的对应关系,并预言了光电子能谱也存在类似的结构[Phys. Rev. Lett. 110, 063002 (2013)]。该研究把原来只能对分子轨道成像的方法,拓展到可以对原子定态波函数进行成像;并首次提出操纵激光场的频率和强度,利用生成的谐波实现分子内壳层轨道的成像;借助标度定律选择激光参数,我们展示了圆偏振的强激光场中惰性气体原子双电离率增长的Knee结构,证实了圆偏振激光场中周期性轨道的普遍性,以及由此导致的双电离率的Knee结构的普遍存在[Phys. Rev. A 95, 013402 (2017)]。
3)研究了强激光场中全过程的Kapitza-Dirac效应,预言了电子谱存在边带现象,确立了电子发生KD效应的临界强度[Phys. Rev. Lett. 92, 233603 (2004)];首次理论展示了光电子束的大角度分裂现象和分子结构对光电子束分裂的影响,讨论了利用分子趋向控制光电子电离后的运动;首次发现了电子发生衍射的临界激光强度和光电子角分布的多重分裂。
上述研究在本领域主流国际刊物上发表高质量学术论文近30篇,其中包括在Phys. Rev上发表文章20余篇;相关研究结果得到国内外同行学者的重视,部分研究结论被他人证实或重现,多次得到国家自然科学基金资助并出色完成了相关科研任务(目前两项在研),并获得上海市科委青年科技启明星项目以及追踪项目的资助。
承担科研项目情况:
张敬涛研究员作为课题负责人,先后承担国家自然科学基金四项,其中两项(60408008,10774513)已经结题,两项在研(61078080,11174304,其中已结题的自然科学基金青年项目(60408008)总体评价为优秀。张敬涛研究员获得上海市青年科技启明星项目以及后续择优资助(05qmx1475, 08QH1402400)。
[1] 张敬涛.国家自然科学基金(面上项目):强激光场中重散射的光电子及高次谐波的标度定律及应用研究,结题.
[2] 张敬涛.国家自然科学基金(面上项目):原子、分子中电子轨道成像的一种新方法研究,在研.
[3] 张敬涛.校学术创新团队:《光电子物理与器件研制》创新团队,在研.
[4] 张敬涛.国家自然科学基金(面上项目):强激光激发原子、分子产生双电离的过程中电子的关联效应研究,在研.
主要科研成果包括:
一,采用非微扰量子电动力学的理论,对强激光场中原子的多光子电离进行了系统的研究,解释了不同的实验观察,预言了有待实验观测的新现象,提出并确立了多光子电离服从的标度定律。
多光子电离是强激光与原子相互作用的基本物理现象之一,是强场条件下的光电效应。对多光子电离开展研究,不仅有助于人们探索强场条件下的基本物理过程,发现新的物理规律,而且它提供了人们一种探测物质结构的新方法。我们对多光子电离的研究,主要包括光电子的角分布、能谱以及母核库仑势的影响。具体包括以下几个方面:
A)发现了光电子角分布喷射结构的产生和演化的机制,从理论上确立并成功解释了国际上多个著名实验小组的实验观测,确立了光电子角分布随光电子能量的变化规律。研究发现,喷射结构是由多光子电离的内禀特性造成的,多光子电离的几率幅由一个复合贝赛尔函数描述,光电子角分布的喷射结构则由该函数的振荡形成 [J. Phys. B 35, 4809 (2002)]。进一步研究发现喷射结构数目的反常增加和减少的情况,推翻了国际上流行的将喷射结构与角动量相联系的解释[Phys. Rev. Lett. 97, 193002 (2006) ]。
B) 研究了氢负离子的多光子离解,证实了随着激光强度增加光电子角分布出现的anomaly现象的实验观测,预言了光电子角分布的高阶anomaly结构[Phys. Rev. A 76, 015401 (2007)],并进一步阐明了光电子角分布随激光强度和频率的变化规律,确立了有质动力参数在离解过程中的核心作用[Phys. Rev. A 74, 025402 (2006)]。该研究首次用无参数理论重现了国际上通用的多参数的分波法处理结果,“对光电子角分布的特征给出了一个简单的物理解释”。
C) 发现电子角分布服从的标度定律[Phys. Rev. A 68, 043404 (2004)]。该定律将光电子的角分布与原子的结合能、激光强度、光电子的能量相联系,确立了强场原子物理现象的三个基本物理参数,使得实验物理学家易于选择实验参数,使得理论物理学家确定等价角分布并和实验比较。后续的研究表明,该定律不仅适用于原子的电离问题,而且适用于其他强场物理现象,如高次谐波生成,负离子的强场离解,以及电子的Kaptiza-Dirac衍射效应等,是强场原子物理现象的重要规律。
D) 再现了光电子能谱的平台结构和截止特性,确立了光电子重散射效应的物理机制。研究表明,平台起始区的光电子源于直接出射和重散射两部分,前者受母核库仑势的变化影响不明显,而重散射的光电子受库仑势的影响非常显著。这使得我们可以根据平台区光电子的角分布来推断母核库仑势的情形[Phys. Rev. A 84, 043418 (2011)]。这一研究结果对目前国际上采用的利用重散射光电子的能谱来推断库伦势的散射截面提供了补充,还可以用于探测分子的母核库仑势的变化。
E) 首次提出并采用不同方法验证了重散射光电子满足的标度定律[Opt. Express 19, 20849 (2011)];该定律表明,重散射的光电子其能谱和角分布满足与直接出射的光电子同样的标度定律,但标度变换下重散射的光电子能谱的绝对改变决定于电子的初始分布,因而可以用于探测和重建电子的初始状态。对于重散射的光电子,标度定律为人们在利用重散射的电子测定库仑势的时候提供了一种标准,进而可以研究库仑势的细节问题,因而在物质分析、轨道重建中有重要应用。
F) 采用Coulomb-Volkov态来描述激光场中电子的状态, 研究了库仑势对原子多光子电离的影响[Phys. Rev. A 75, 043403 (2007)],探讨了原子与激光相互作用过程的规范问题,首次在速度规范的原子波函数上添加Moller算符,得到了与长度规范一致的光电子角分布;进而首次在速度规范下得到了椭圆偏振激光场中光电子角分布的不对称性,并探讨了不对称性随光电子角分布随激光强度、偏振度的变化[Phys. Rev. A 77, 043417 (2008)]。
G) 发展了激光与原子相互作用的非微扰量子电动力学理论,并建立了相应的计算方法,研究了强激光场激发原子多光子电离过程中库仑势的重要体现之一—Freeman共振现象,建立了强激光场中原子的能级移动与激光场的关系,确定发生Freeman共振的激光强度 [Phys. Rev. A 80,053417(2009);Atomic Data and Nuclear Data Tables 96,341(2010)]。本项工作首次在严格的数学基础了研究了强激光场中原子的库仑势对多光子电离的影响,为光电子的重散射提供了新的研究方法,同时该理论可以用来精确测量激光场的强度;这种根据物理效应来测量激光强度的方法,我们称之为激光场的物理测量,明显区别于现在的几何测量方法。
H) 研究了实验观测到的中红外激光场驱动的氙原子的谐波生成现象,再现了其能谱中的“巨共振”结构,预言了中红外激光驱动的氙原子的光电子谱中存在的巨增强结构[Phys. Rev. Lett. 110, 063002 (2013); Laser Phys. 85, 023802 (2013)]。研究发现,所谓的巨共振结构,实际上反映了氙原子5P电子径向波函数的变化,谐波谱的最小值由动量空间径向波函数的节点形成。根据这一观点,相同条件的激光场驱动的氙原子的光电子谱中,也可以观测到谱的最小值和随后的增强结构。这为利用谐波重现原子分子的波函数提供了更加直接的方法,同时也提出了利用光电子的能谱重现原子分子的波函数。Phys. Rev. Lett. 的审稿人评论道:本文在相关研究中增加了新的物理内容。
二,研究了周期量级超短激光脉冲中原子的多光子电离,展示了位相相关的光电离现象,探讨了利用超短激光脉冲对光电子运动的相干控制。
随着激光脉冲压缩技术的进步,现在已经可以将激光脉冲的宽度压缩到数飞秒,从而一个激光脉冲只包含几个光学振荡。这种高强度的周期量级超短激光脉冲与物质的相互作用开辟了极端超快非线性光学的最前沿,位相相关的光电离现象是其中的重要研究内容之一。我们采用非微扰的量子电动力学理论,用三个激光模式模拟超短激光脉冲,成功展示了其中的位相相关现象,并确立了极端光学条件下多光子电离满足的标度定律。具体如下:
A),成功展示了周期量级超短激光脉冲中原子电离的位相相关现象,并首次阐明了这些现象随光电子能量、激光强度及脉宽等产生和演化的规律。研究发现位相相关的现象与光电子角分布的反演不对称性相联系,而后者由电离过程中的多个量子跃迁通道之间的干涉效应导致;光电子的角分布由光电子的能量、激光脉冲的初始位相、脉宽、偏振、峰值强度以及靶原子的离化势等因素共同确定 [Phys. Rev. A 68, 013402 (2003);ibid 69, 043409 (2004); ibid 69, 053410(2004)]。
B),理论上首次提出并确立了周期量级超短激光脉冲中光电子角分布的标度定律[Opt. Express 15, 7261 (2007)],并采用数值模拟的方法予以验证Optical Express 13, 8708 (2005)]。研究发现,极端光学条件下,原子的多光子电离仍旧满足长脉冲条件下的标度定律,但由于周期量级超短激光脉冲的光场分布随着初始相位和周期数变化,需要额外的参数把光场确定下来。一旦光场分布确定了,标度定律仍旧成立。这再一次表明标度定律揭示了光原相互作用的本质特征。根据标度定律,我们发现:加深原子的势阱深度,降低脉冲的载波频率,提供脉冲的峰值强度都有利于位相相关现象的实验观测,因而为位相相关的现象的实验观测提供了参考。
C), 研究了周期量级超短激光脉冲中氢原子的多光子电离,成功展示了电离过程中的位相相关现象。结果表明,随着激光强度的增加,位相相关现象可以在较长的脉冲中观测到。这一研究结果与我们根据标度定律得到的结论一致,也首次从理论上证实了爱尔兰科研家Gurtler等人最近的实验观测[PRL92, 033002(2004)],并用多通道量子干涉的理论予以解释[Eur. Phys. J. D37, 457(2006)] 。
三,强激光场中电子的Kapitza-Dirac效应研究取得若干进展。
Kapitza-Dirac效应在近代物理发展史上有重要的地位。它是由两位Nobel物理奖得主Kapitza和Dirac共同提出的一个效应,指的是电子穿过光的驻波后发生的折射现象。该效应不仅是对量子力学中物质波假设的一个检验,也提供了控制物质波的分流和折射的一个有效手段。近来,随着玻色爱因斯坦凝聚的成功观测,利用该效应控制和分流玻色爱因斯坦凝聚物质波的应用研究也必将展开。然而,相关的理论研究还处在起步阶段。我们采用非微扰的量子理论,对强激光场中的Kapitza-Dirac效应开展研究并取得若干进展,具体如下:
A),研究了强激光场中全过程的Kapitza-Dirac效应,预言了电子谱存在边带现象和不同激光强度下电子谱的变化规律,确立了电子发生Kapitza-Dirac效应的临界强度[Phys. Rev. Lett. 92, 233603 (2004)]。利用两个激光模式模拟紧聚焦的驻波激光场,首次重现了Batelaan等人发表在Nautre杂志上的实验观测,并提出利用强激光场中的Kapitza-Dirac效应实现了电子束的相干控制如分流和反射等。
B),研究了强激光场与分子作用中半过程的Kapitza-Dirac效应,展示了光电子束的大角度分裂现象,探讨了分子结构对光电子束分裂的影响。研究发现,分子结构并不改变分裂角的大小,但改变了分裂后电子束的比例,从而可以控制光电子电离后的出射方向[Opt. Express 19 (25), 24858 (2011)];同时我们还发现,随着激光强度的增加,当有质动力参数越过1时,有一对小峰从分裂中心产生,从而呈现多重分裂。这一全新的现象有待进一步实验观测[J. Opt. Soc. Am. B 27,714(2010)]。
四,研究了强激光场中分子的多光子电离和高次谐波生成,展示了分子结构导致的新现象,提出了利用光电子的角分布确定分子结构的新方法。
分子是一个多原子体系,有确定的结构,强场中分子的动力学也表现出许多新的现象。探索并揭示分子结构导致的新现象,加深人们对强场物理过程的认识,利用这些新现象来确定分子的结构,是研究强场分子物理的重要研究内容。我们利用双原子分子的特点,用双中心干涉理论,成功解释了双原子分子多光子电离的电离抑制现象和高次谐波生成中的极小值现象。具体如下:
A)研究了双原子分子多光子电离所特有的电离抑制现象,阐明了电离抑制与分子结构、激光强度的关系,发现了电离抑制现象随激光强度增加而出现和消失的现象。研究发现,分子中的原子可以视为强激光场中电子波包的相干发射源,不同源的电子波包之间相互干涉而改变了电离率,导致了分子电离率的抑制和增强。我们还发现,即使电离率没有明显变化,双中心干涉也可以导致电子能谱的调制[Phys. Rev. A78, 043411 (2008)]。
B)研究了双原子分子在激光场中的高次谐波生成,展示了分子结构对谐波谱的调制现象,并探讨了双中心干涉的极小值随激光强度移动的物理机制。研究发现,对于单个量子通道,由双原子分子导致的双中心干涉导致谐波谱的干涉极值随激光强度线性变化,这与实验观测一致;但对于多个量子通道,量子干涉导致这种变化并不明显[Phys. Rev. A83, 023417 (2011)]。
C) 研究了强激光场中氧分子的高次谐波生成,探讨了不同分子轨道产生的谐波对总谐波生成的贡献,首次展示了电离过程中分子结构导致的干涉效应对分子谐波产量的影响[Phys. Rev. A88, 033826 (2013)]。研究发现,低强度的谐波主要来自于最高占有轨道,而随着激光强大的增加,内层轨道产生的谐波逐渐增强,并最后主导整个产生的谐波。这种变化是由于电离过程中的干涉效应导致的。回跳过程中的干涉效应已经为大家所熟知,而该研究首次明确了电离过程中的干涉效应的存在及其宏观效应,并可以用来进行内层轨道的层析重建。
D)研究了分子多光子电离过程中分子取向的影响,首次提出利用圆偏振激光场中的多光子电离确定分子结构的新方案。该方案简单易行,不受激光场各种不确定因素的影响。对于简单分子,还可以确定其分子间距;对于复杂分子,则有望直接确定其价电子分布。这一方案有望为探测复杂分子的内部结构提供一条简单易行的新方法[Eur. Phy. J. D 51, 401 (2009);Chin. Phys. B 19,023202(2010)]。
E)采用两束长脉冲模拟单周期脉冲链,研究了周期量级超短激光脉冲中氢分子的多光子电离,展示了其中位相相关的现象。研究发现,超短脉冲中分子的多光子电离的光电子角分布受到分子趋向、成键状态以及光脉冲的载波-包络相位多种因素的共同影响,可以利用这些因素实现对分子的选择电离和对光电子微观运动的宏观操控[Phys. Lett. A 373, 227 (2009)]。
等等。这些工作原创性工作在相关研究中处于领先地位。
论文专著:

发表英文论文:
1. Chen Xiang,张敬涛. Knee structure in double ionization of noble atoms in circularly polarized laser fields. PHYSICAL REVIEW A,2017,95(1):013402.
2. Shansi Dong,张敬涛,Chen Xiang,Ren Xianghe. Pulse-duration effect in nonsequential double ionization of Ar atoms. PHYSICAL REVIEW A,2016,93(05):053410.
3. 闫爱民,Ting-Chung Poon,张敬涛,胡志娟. Optical image encryption using optical scanning and fingerprint keys. JOURNAL OF MODERN OPTICS,2016,1206981(1206981):1-6.
4. 闫爱民,胡志娟,张敬涛. Chirped pulse distortion in stratified volume reflection gratings. OPTIK,2016,127(9):4053-4056.
5. 张敬涛,张自龙. Transition of correlated-electron emission in nonsequential double ionization of Ar atoms. OPTICS EXPRESS,2015,23(6):7044-7052.
6. 董善思,张敬涛,Zhang Zilong,Bai Lihua. Scaling law of nonsequential double ionization. PHYSICAL REVIEW A,2015,92(03):033409.
7. 赵振宇,宋志强,石旺舟,张敬涛. 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. 张自龙,张敬涛,白丽华. Double ionization of Ar below the recollision threshold intensity. PHYSICAL REVIEW A,2014,90(2):023410.
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10. Yan Wu,张敬涛. Connection of electron distributions with minima of harmonic. MODERN PHYSICS LETTERS B,2014,28(23):1450184.
11. 赵振宇,Gudrun Niehues,Stefan Funkner,Elmer Estacio,韩奇峰,Kohji Yamamoto,张敬涛,石旺舟,郭其新,Masahiko Tani. Terahertz surface emission from Cu2ZnSnSe4 thin film photovoltaic material excited by femtosecond laser pulses. APPLIED PHYSICS LETTERS,2014,105(23):231104-1~231104-4.
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13. Jingtao Zhang, Yan Wu, Zhinan Zeng, and Zhizhan Xu, Intensity-dependent multiorbital effect in high-order harmonics generated from aligned O2 molecules, Phys. Rev. A 88, 033826 (2013).
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).
15. Xianghe Ren, Jingtao Zhang, Kewen Cha, Yan Wu, Hui Ma, Investigation of interference effect during ionization of hydrogen atom in bichromatic laser fields of circular polarization, Opt. Commu. 308, 224 (2013)
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17. Yan Wu, Huiliang Ye, and Jingtao Zhang. Extracting the information of scattering potential using angular distributions of rescattered photoelectrons. Phys. Rev.A 84, 043418 (2011).
18. Yan Wu, Jingtao Zhang, Huiliang Ye, and Zhizhan Xu. Intensity-dependent interference effect in high-order harmonic generation from aligned H_2^+ molecules. Phys. Rev. A 83, 023417 (2011).
19. Huiliang Ye,YanWu,Jingtao Zhang, and D.-S. Guo. Scaling law for energy-momentum spectra of atomic photoelectrons. Opt. Express 19 (21), 20849 (2011).
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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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46. Jingtao Zhang, Wenqi Zhang, Zhizhan Xu,Xiaofeng Li, Panming Fu, Dongsheng Guo, R. R. Freeman. The calculation of photoelectron angular distributions with jet-lkie structure from scattering theory. J. Phys. B 35(21), 4809(2002).
47. Dongsheng Guo, Jingtao Zhang, Zhizhan Xu, Xiaofeng Li, Panming Fu, R. R. Freeman. Practical Scaling law of Photoelectron angular distributions. Phys. Rev. A 68(4), 043404(2003).
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发表中文会议论文:
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[3]龚尚庆; 张敬涛; 徐至展. 相干量子操控原子分子系统动力学行为若干前沿研究[C]. 中国高等科学技术中心、中国科学院上海光学精密机械研究所.2004年全国强场激光物理会议论文集(一).中国高等科学技术中心、中国科学院上海光学精密机械研究所:中国高等科学技术中心,2004:384-412.
[4]张敬涛;徐至展;李晓峰;付盘铭;郭东升. 强光场中原子阈上电离产生的光电子的角分布及其标度定律[C]. 中国高等科学技术中心、中国科学院上海光学精密机械研究所、中科院北京大学超快光科学与激光物理联合中心.Strong Field Laser Physics--Proceedings of CCAST(World Laboratory) Workshop.中国高等科学技术中心、中国科学院上海光学精密机械研究所、中科院北京大学超快光科学与激光物理联合中心:中国高等科学技术中心,2002:262-273.
[5]张敬涛;郭东升;张文琦;徐至展. 阈上电离过程中光电子的角分布及其精细结构[C]. 中国物理学会量子光学专业委员会.第十届全国量子光学学术报告会论文论文集.中国物理学会量子光学专业委员会:中国物理学会量子光学专业委员会,2002:19.