实验原理
1. 超快激光原理
激光在现代物理学、化学、生物学及材料学等多种学科研究中有着广泛的应用，它具有方向性好、单色性好、相干性好以及强度高的特点，这些特殊的性质极大的促进了光与物质相互作用的研究。在微观世界中，分子、原子或电子等微观粒子的运动速度极快，对应着更小的时间尺度，图1展示了在不同时间尺度以及不同空间尺度下，我们可以观察到的各种微观粒子的运动情况。分子的转动过程一般在皮秒量级 (picosecond,1ps=10−12s)，原子核的振动则在飞秒量级 (femtosecond,1fs=10−15s)，而电子的运动已经达到了阿秒量级 (attosecond,1as=10−18s)，人们想要观察如此小的时间尺度上微观粒子的运动过程，甚至更进一步的控制原子分子中电子的超快动力学过程，便必须依赖超快激光技术发展所带来的超高时间分辨率。本虚拟仿真项目的核心要素之一是对飞秒脉冲激光系统的构造与功能的模拟。
图 1不同时空尺度下微观粒子的结构和动力学特征
1.1 飞秒脉冲的产生
飞秒激光系统中使用钛宝石晶体（Ti:Sapphire）作为增益介质，利用钛宝石晶体的克尔效应（Kerr effect）---折射率随光强度呈非线性变化：
(1-1)
对于克尔效应，电场的二阶非线性效应占主导，光强与电场强度之间满足平方关系。光强越强折射率越大，介质对光斑强区的折射率比对弱区的折射率大，光斑发生自聚焦效应后光强增强。相比于其他相对相位散乱的光脉冲，多纵模相干的脉冲能够在谐振腔内往返振荡，不断增强放大，从而存活下来。其中，各频率的纵模之间建立稳定相位关系的过程称为锁模。在光脉冲振荡过程中，增益介质的自聚焦以及在空气中传播会引入色散，采用负色散的啁啾镜与正色散的熔融石英斜劈对可实现色散补偿，获得超短飞秒脉冲。
1.2啁啾脉冲放大
振荡级输出的光脉冲能量在纳焦量级，远远低于强场物理实验的需求，需要继续对光脉冲能量进行放大。但随着脉冲峰值功率的急剧增加，介质的非线性效应越来越强，很快会达到材料的损伤阈强度。1985年啁啾脉冲放大技术(Chirped Pulse Amplification,
CPA)的发明，使得飞秒脉冲的能量提高了6个数量级达到毫焦，2018年诺贝尔物理学家获得者G. Mourou和D.
Strickland 就是CPA 技术的发明者。
图 2 啁啾脉冲放大技术基本原理
在正常色散介质中，短波长的频率成分滞后 (红快蓝慢)，产生正啁啾，导致傅里叶极限脉冲脉宽延长，反之负色散介质中,长波长的频率成分滞后(红慢蓝快)，产生负啁啾。CPA技术就是先利用正色散的延展器展宽脉冲，再对正啁啾长脉冲进行放大，然后用光栅压缩器对放大后的脉冲进行压缩，获得超短超强的傅里叶变换极限脉冲。
2. 强场电离机制
在描述强激光场与介质相互作用过程中，电子电离是非常重要的物理过程。不同强度的激光场与原子相互作用时，其电离过程是不一样的。常见的电离机制根据激光场条件不同，可以分为多光子电离 (multi-photon ionization, MPI）、阈上电离(above threshold ionization, ATI）、隧穿电离（tunneling ionization, TI）、越垒电离（over threshold barrier
ionization, OTBI）等。
图 3 不同激光光强条件下，三种常见的原子分子电离机制示意图
理论上，往往用Keldysh参数来区分不同电离机制，其物理含义是：处于束缚态的电子，在穿过整个势垒区域时所需要的时间与外界激光场单个周期时间的比值，可表示为：
(2-1)
式中Ip为电离能，Up为有质动力能（Pondermotive Energy）,在原子单位制下可以写成E02/4ω02,E0
即激光电场强度，ω0为激光振荡的角频率。
当时，说明激光的电场强度远小于原子的库伦场强，单个光子能量不够大，原子分子中的电子将会吸收足够多的光子进行多光子电离；当γ>>1时，则说明激光的电场强度足够大，能将电子周围的库仑势垒直接压低，此时电子电离主要通过隧穿电离或越垒电离。
3. 强场解离
对于原子而言，电离出电子后离子就会获得反冲动量，开始做单体运动。而对于分子，发生电离后，剩下的阳离子会形成核波包，其中包含各种不同动量和核间距的成分。由于分子主要布居在基态上，因此电离释放的核波包的初始位置主要分布在分子基态的平衡间距附近。随着核波包在阳离子的势能面上运动，达到某一阈值时会发生解离，产生正离子或中性原子分子碎片。对于双原子分子而言，电离后的核波包会发生振动和转动，主要表现为核间距的拉伸收缩，以及分子轴的转动。考虑到转动的时间尺度在皮秒量级，而振动的时间尺度在飞秒量级，因此核波包在势能曲线上运动时不考虑转动的影响，分子从电离开始直到解离，分子轴的方向几乎保持不变，即分子轴和实验室坐标系的夹角始终不变。目前对分子解离机制的研究主要有键软化、阈上解离和重散射解离等。
本项目虚拟仿真实验，通过光场波形的精确调控，真实呈现对氢分子强场电离解离过程的调控效果。
4. 电子离子三维动量符合测量谱仪工作原理
冷靶反冲动量谱仪（COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy）是探测分子超快动力学演化产物的探测系统，用于测量飞秒脉冲和样品作用过程中产生的电子和离子动量信息，必须工作在超高真空环境。电子探测器与离子探测器分别位于谱仪的两端，沿探测器方向定义为实验室坐标系的z轴；超声分子束源产生的分子束，经过差分系统，到达反应区，定义为y轴；时频域精确操控的激光脉冲，通过熔融石英视窗(厚度1 mm)入射到真空腔内，被腔内银凹面镜(f = 75 mm)聚焦到超声分子束上，传播方向沿x轴。原子分子在强激光作用下发生电离解离，在匀强电场磁场的导引下，电子离子被两端的电子离子探测器探测，根据粒子的飞行时间以及落在探测器上的位置可重建出电子离子的三维动量。本项目的另一个核心要素是对冷靶反冲动量成像谱仪的构造、工作原理和功能的真实呈现。
图 4 冷靶反冲动量成像谱仪结构示意图
4.1三维动量成像系统
超声分子束进入主腔后与激光焦点交叉，分子发生电离和解离产生电子和离子碎片。带电粒子被施加在多级串联铜片(如图5所示)上的匀强静电场引导至末端的微通道板上(Microchannel Plate, MCP)进行信号倍增。微通道板是由上百万个通道组成的面阵型电子倍增器件。MCP 必须在高真空环境下工作(<10-6mbar)，其外侧的金属边带用于施加 1-2kV 的工作电压。当带电粒子（电子、离子甚至是具有一定能量的中性粒子）撞击到通道内壁后，引发雪崩式电子倍增，放大原始触发信号。MCP 出射的次级雪崩电子团，同时携带入射粒子的位置信息，可用延时线探测器对位置信息进行量化编码。单个MCP 内管道与表面成8度夹角， 多层 MCP 之间呈“之”字形排布，对于一个双层 MCP，每个入射电子能激发出 106~ 108个次级电子。
图 5 完整静电场谱仪
4.2数据采集与三维动量重构
数据采集软件 Cobold 将记录下的原始动量数据以列表格式（List Mode File, LMF）存入文件，供后续数据处理和分析。
对于四边形探测器，由于 U、V 层互相垂直，测得的位置信息直接对应 x、y 轴的位置信息，如(4-1)和(4-2)式所示：
(4-1)
(4-2)
对于六边形探测器，需要经过坐标转换从斜坐标系变换到到直角坐标。xy平面的位置信息可以从（u, v, w）中任意两层延迟线的位置信息经坐标转换后得到。从 60°斜坐标系转换为直角坐标的公式如下所示：
垂直xy平面的z轴动量信息可由粒子的飞行时间得到(Time-of-Flight, TOF)。离子从激光焦点出射后只受到z方向的电场力（忽略重力），在xy方向做匀速运动，在z方向做匀加速运动。根据经典的牛顿运动方程计算离子的初始角动量如下式所示，其中 m/q 为离子质荷比、tTOF为飞行时间、L为谱仪长度、E为电场强度：
根据动量守恒定律挑选出从同一个分子出射的碎片离子进行符合测量，有效地提高信噪比，从符合通道精确还原激光和物质相互作用的超快动力学过程。
核心要素的仿真度：本虚拟仿真项目对实验环境（超净实验室）、实验的核心仪器设备和相关的物理过程进行了真实还原。仪器包括飞秒脉冲激光器、冷靶反冲动量谱仪、Cobold数据采集软件等，另外，对光场调控系统也进行了还原。虚拟仿真项目中，核心仪器的构造和原理都有所体现，充分展现了实验涵盖的知识点。虚拟仿真的实验操作过程相比真实实验达到了极高的还原度，并且虚拟仿真实验能够更清晰的展现实验原理。