随着信息技术的不断发展，当前以电子为信息载体的技术手段已经不断趋近于其发展极限，不断缩小的集成电路开始展现出量子特性。在此背景下，人们迫切需要在超快时间尺度和超短的空间尺度上精确了解电子的运动规律。飞秒（10^-15秒）量级的超短激光脉冲是人们研究原子分子中电子运动的理想工具。结合人们对于原子分子体系的认识，使用飞秒激光脉冲，人们已经可以在阿秒（10^-18秒）量级的时间精度和埃(10^-10米)量级的空间精度上对原子分子中的电子波函数进行成像，相关研究还将为人们观测和控制分子化学反应过程奠定坚实的科学基础。

当原子处于飞秒强激光场中时，处于束缚态的电子会通过隧道电离的途径变成自由电子，并在激光场的作用下回到原子实附近并发生弹性或非弹性散射，导致一系列强场原子物理现象（如高次谐波产生、阿秒光脉冲产生、高阶阈上电离和多电子电离等）的发生。隧道电离电子可以在第一次返回原子实时发生散射，也有可能在第二次甚至更高次返回时才发生散射。已有研究对于第一次返回电子轨道有比较清楚的认识，而对于多次返回电子轨道，其物理效应和重要性则是一个长期以来颇受争论的问题。深入认识多次返回电子轨道行为对理解飞秒强激光场中的隧道电离电子运动及相关物理过程具有重要意义。

武汉物数所柳晓军研究员领导的原子分子超快动力学小组与北京应用物理与计算数学所、上海光学精密机械研究所以及德国Max Born研究所紧密合作，通过实验测量椭圆偏振激光脉冲下惰性气体原子高阶阈上电离光电子谱，系统研究了第一次与多次返回电子轨道行为及其对原子阈上电离过程的影响。研究发现，随着激光椭偏率的增大，高阶阈上电离光电子谱中对应不同能量区域的光电子产量出现不同程度的降低。相对而言，较低能的电子产量随着椭偏率下降更慢一些，而更高能的电子产量下降更快一些。量子轨道理论计算很好地重复了实验结果，进一步分析表明：不同能量区域电子产量随激光椭偏率的不同变化行为反映了第一次与多次返回电子轨道对激光椭偏率的不同依赖性；增大激光椭偏率可以增大多次返回轨道对原子阈上电离过程的贡献。研究工作帮助我们深入认识了飞秒强激光场驱动的隧道电离电子行为，为进一步实现对电子运动的超快调控奠定了基础。相关结果发表在物理评论快报上（Phys. Rev. Lett. 110, 043002 (2013)）。

该项目得到了“973”计划和国家自然科学基金的支持。 

图：不同椭圆偏振光场下的原子阈上电离光电子能谱，以及能谱中不同低能区电子产量与高能截止区电子产量的比值随激光椭偏率的变化。左图为实验结果，右图为量子力学散射矩阵理论计算结果。