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二氧化硅晶体中高次谐波产生的电子动力学研究1

中文摘要

激光和物质相互作用时会产生各种非线性效应，例如高次谐波、阈上电离、隧穿电

离。其中高次谐波（High-orderHarmonicGeneration，HHG）可以深入了解强激光和物

质的相互作用，为突破飞秒极限获得阿秒脉冲奠定基础。随着科学技术的发展人们发现

原子与分子体系产生的阿秒光源产率太低，制约了非线性阿秒科学发展。最近科学家发

现与气相系统对比，固体系统具有高密度、多样空间结构等特点。所以依靠固体系统产

生高强度的阿秒光源，已成为强场物理领域新的研究热点方向之一。本文基于半导体布

洛赫方程研究了强激光与二氧化硅晶体的相互作用，研究内容包括以下两个方面：

(1)研究了二氧化硅晶体中非整数阶谐波产生的电子动力学过程。计算结果表明谐波

辐射在高阶中表现出非整数阶的原因是激光强度的变化使得能带中电子布居数对称性

的破坏以及随着激光强度的变化在相邻的半个周期内的谐波辐射存在的周期干涉这两

种机制的共同作用，此外我们继续探究了不同的退相时间对谐波辐射的影响，进一步证

明了上述中周期干涉存在的正确性。

(2)研究了强激光与二氧化硅两种构型P3121和P3221相互作用的谐波辐射特性。计

算结果表明二氧化硅两种构型的能带差别是微乎其微的，进一步探究发现两种构型谐波

特性的不同归因于跃迁偶极矩，偶极矩在Г点附近的窄谷将导致不规则激发，这种振荡

的不规则电子与后面的激发态电子会产生非线性谐波干涉。随后通过时频分析进一步探

究了不同构型在双色场和三色场情况下的谐波干涉也是影响谐波强度的因素。

关键词：二氧化硅；非整数阶谐波；偶极矩；电子布居数

1本研究得到以下基金的资助：国家自然科学基金，原子分子和材料光谱测量与

分析山西省重点实验室。

I

II

Electronicdynamicsstudyofhigh-orderharmonicgenerationin

SiOcrystals

2

ABSTRACT

Theinteractionbetweenlaserandsubstancewillproduceavarietyofnonlineareffects,

suchashigh-orderharmonics,abovethresholdionization,tunnelionization,Amongthem,

high-orderharmonicscandeeplyunderstandtheinteractionbetweenstronglaserandmatter,

layingthefoundationforbreakingthroughthefemtosecondlimittoobtainthesecondpulse.

Withthedevelopmentofscienceandtechnology,itisfoundthattheyieldofattosecondlight

sourceproducedbyatomicandmolecularsystemsistoolow,whichrestrictsthedevelopment

ofnonlinearattosecondscience.Recently,scientistsfoundthatcomparedwiththegasphase

system,thesolidsystemhasthecharacteristicsofhighdensityanddiversespatialstructure.

Therefore,thehighintensityattosecondlightsourcegeneratedbysolidsystemhasbecomea

newresearchdirectionin