Strong-field multiphoton ionization of hydrogen. TheS-matrix treatment of the elementary process

Summary

A theoretical model is presented to treat the elementary act of strong-field multiphoton ionization of atoms when the electron continuum final-state distribution is important. It is based on theS-matrix formalism and treats the final-state electron-radiation interaction in an essentially nonperturbative way. Selected numerical calculations concern the ionization of hydrogen atoms and include differential and total cross-sections of several multiphoton channels as a function of the laser intensity. Good, qualitative agreement with the experimental observations is found for values of the field intensity which are not critical with respect to the simplifications adopted in constructing the theoretical model. It applies particularly to the use of an ideal model for the laser field. Significant departure from observations is instead found when the implications of the ideal laser model play a critical role, as occurs at channel inversion and suppression. It is concluded that the theoretical treatment to be completely satisfactory needs essentially to incorporate a more realistic laser model such as a multimode one.

Riassunto

Si presenta un modello teorico per il processo elementare della ionizzazione multifotonica di atomi da parte di un forte campo laser quando diventa importante la distribuzione degli stati finali del continuo dell'elettrone. Il modello si fonda sul formalismo della matriceS e tratta l'interazione elettrone-radiazione nello stato finale in modo non perturbativo. I calcoli numerici qui riportati si riferiscono alla ionizzazione di atomi d'idrogeno e includono sezioni d'urto totali e differenziali per diversi canali multifotonici in funzione dell'intensità del laser. Si trova un accordo qualitativo con i dati sperimentali per valori dell'intensità del campo che non sono critici rispetto alle semplificazioni adottate nella costruzione del modello teorico. Un significativo distacco dai dati sperimentali si ha quando le implicazioni del modello di laser ideale giocano un ruolo critico, come si ha per l'inversione e la scomparsa dei canali. Si conclude che il trattamento teorico per essere completamente soddisfacente necessita dell'introduzione di un modello di laser piú realistico, quale, ad esempio, quello a molti modi.

Резюме

Предлагается теоретическая модель для рассмотрения элементарного акта многофотонной ионизации атомов в сильном поле, когда распределение электронных непрерывных конечных состояний является существенным. Подход базируется на формализмеS-матрицы и взаимодействие электронов в конечном состоянии с полем излучения рассматривается непертурбационным образом. Численные вычисления касаются ионизации атомов водорода и включают дифференциальные и полные поперечные сечения для некоторых многофотонных каналов, как функции интенсивности лазерного излучения. Получено хорошее качественное согласие с экспериментальными результатами для значений интенсивности поля, которые не являются критическими по отношению к упрощениям, используемым при конструировании теоретической модели. Используется идеальная модель для лазерного поля. Обнаружено существенное отклонение от экспериментальных результатов в тех случаях, когда имеет место инверсия и подавление каналов. Делается вывод, что теоретический подход становится удовлетворительным, если используется более реалистическая модель лазера, как например, многомодовая модель.