Rev. Phys. Appl. (Paris) 22, 1793-1799 (1987)
DOI: 10.1051/rphysap:0198700220120179300

Limiting cross sections for multiphoton coupling

K. Boyer, H. Jara, T.S. Luk, I.A. McIntyre, A. McPherson, R. Rosman et C.K. Rhodes

Laboratory for Atomic, Molecular, and Radiation Physics, Department of Physics, University of Illinois at Chicago, P.O. Box 4348, Chicago, IL, 60680, U.S.A.

Abstract
The availability of extraordinarily bright femtosecond ultraviolet sources is rapidly extending the study of nonlinear atomic responses into an unexplored regime involving intensities in the range of ˜ 10^20 W/cm 2. An estimate is made, covering approximately ten orders of magnitude in intensity, of the effective cross section <σNγ> for nonlinear energy transfer to atoms undergoing subpicosecond irradiation. This treatment, which includes : (a) threshold measurements for low stages of ionization in the low intensity regime (< 10^14 W/cm 2), (b) the experimentally determined average cross section for total energy transfer at an intermediate intensity (˜ 10^16 W/cm 2), and (c) theoretical estimates for the strong field regime (> 10^19 W/cm2), indicates that the cross section for energy transfer in the high intensity (> 10^19 W/cm2) high Z limit falls in a relatively narrow range between simply established upper and lower bounds. The values of these limits are σm = 8 π λ2 c (upper) and the magnitude of the total photoabsorption cross section of Cf at the K edge (lower). Based on this analysis, the maximum cross section for heavy atoms in the high intensity limit is expected to be approximately <σ Nγ> max ˜ 10^-20 cm2, a value which represents an energy transfer rate of ˜ 1 W/atom for an assumed intensity of 10^20 W/cm2. Coupling of this strength would enable the creation of highly energetic and strongly nonequilibrium states of matter and motivates the conclusion that stimulated emission in the X-ray range can be generated by these means.

Résumé
La possibilité de disposer de sources ultraviolettes femtosecondes extraordinairement brillantes fait que l'étude des réponses atomiques non linéaires s'étend rapidement au régime inexploré impliquant des intensités de l'ordre de ˜ 10^20 W/cm2. Une estimation est faite, couvrant environ 10 ordres de grandeur en intensité, de la section efficace effective <σ Nγ> du transfert d'énergie non linéaire vers des atomes soumis à une irradiation subpicoseconde. Ce traitement qui comprend : a) des mesures de seuil pour les premières étapes d'ionisation au régime de faible intensité (< 1014 W/cm2), b) la section efficace moyenne déterminée expérimentalement pour le tranfert total d'énergie à intensité intermédiaire (˜ 10^16 W/cm2) et c) des estimations théoriques pour le régime en champ fort (> 10^19 W/cm2), indique que la section efficace pour le transfert d'énergie, dans la limite de hautes intensités (> 10^19 W/cm2) et Z élevé, tombe dans une gamme relativement étroite entre des bornes supérieures et inférieures établies de manière simple. Les valeurs de ces limites sont : σ m = 8 π λ2c (supérieure) et la grandeur de la section efficace totale de photo-absorption de Cf sur le bord K (inférieure). En se basant sur cette analyse, on s'attend à ce que la section efficace maximum pour les atomes lourds dans la limite d'intensité élevée soit approximativement <σ Nγ>max ˜ 10^-20 cm2, valeur qui représente un taux de transfert d'énergie de ˜ 1 W/atome pour une intensité supposée de 1020 W/cm2. Un couplage de cette intensité devrait permettre la création d'états de la matière hautement énergétiques et fortement non équilibrés, et conduit à la conclusion que l'émission stimulée dans le domaine des rayons X peut être générée par ces moyens.

PACS
3280F - Atomic photoionization, photodetachment, photoelectron spectra.
3280K - Multiphoton processes in atoms.
4265 - Nonlinear optics.

Key words
californium -- ionisation of atoms -- multiphoton spectra -- nonlinear optics -- photoionisation -- limiting cross sections -- nonlinear atomic responses -- multiphoton coupling -- nonlinear energy transfer -- subpicosecond irradiation -- threshold measurements -- ionization -- low intensity regime -- intermediate intensity -- strong field regime -- high Z limit -- total photoabsorption cross section -- K edge -- strongly nonequilibrium states of matter -- stimulated emission -- X ray range -- Cf