（光学专业论文）强场中的分子准直电离动力学研究.pdf

福建师范大学理学硕士学位论文 建师范大学学位论文使用授权声明 本人、( 姓舞) 一互舀奄一一 秀毛 i 学号v6 飞主1 所呈交的论文( 专业 论文题 目：琴厄吻、彳“6 参司力zt 无知矽移弓询南 ) 是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果。本人了解福建师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交的学位论文并允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论 文的全部或部分内容；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名j i 旦竺芷指导教师签名二擘圣斗 签名日期勺舀够、舌甲 祸建师范人学理学硕：i ：学位论文 摘要 本文通过研究分子准直动力学过程和电离过程，建立分子准直电离的动力学模 型和量子动力学模型。并在此基础上对不同参数激光脉冲作用于不同类型分子的准 直电离过程进行了数值模拟和仿真，通过对数值模拟结果的分析和讨论研究分子准 直机制与分子电离机制的相互作用关系；明确了各种激光参数和分子参数对准直电 离过程的影响；探讨了隧穿电离效应在分子动力学准直及离后准直过程中的影响； 探索了在分子准直电离动力学过程中动力学准直机制与几何准直机制对碎片离子角 分布的各向异性分别起着什么样的作用。完善了强场作用下的分子准直电离模型， 对分子强场准直电离的理论和实验研究具有非常重要的参考价值，为以准直电离为 基础的潜在应用领域提供了理论参考依据。 关键词：飞秒激光脉冲，强场效虑分予准n ，动力学- o 玳心，几何准赢，光r 乜离， 分子解离，库仑爆炸，隧穿电离 攥建频藏大学理学矮士学链论文 a b s t r a c t b a s e do nm o l e c u l a rd y n a m i c sa l i g n m e n tp r o c e s sa n di o n i z a t i o np r o c e s s ，t h ed y n a m i c m o d e la n dq u a n t u md y n a m i c sm o d e lo fm o l e c u l a ri o n i z a t i o na n da l i g n m e n ti ni n t e n s e l i g h tf i e l da r ee s t a b l i s h e d b a s e du p o nt h e s em o d e l s ，w ea l s oc a r r yo nt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o na n de m u l a t i o no nt h eb a s i so fl a s e rp u l s e sw i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e ra c t i n go n a l i g n m e n ti o n i z a t i o np r o c e s so fd i f f e r e n tt y p e so fm o l e c u l e s ，a n ds t u d yt h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nm o l e c u l a ra l i g n m e n tm e c h a n i s ma n dm o l e c u l a ri o n i z a t i o nm e c h a n i s mt h r o u g h t h ea n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s m o r e o v e r , i td e f i n e sv a r i o u s l a s e rp a r a m e t e r sa n dm o l e c u l a rp a r a m e t e r s a c to na l i g n m e n ti o n i z a t i o np r o c e s sa n d e x p l o r e sw h a tk i n do fr o l e sp l a y e dr e s p e c t i v e l yb yd y n a m i c sa l i g n m e n tm e c h a n i s ma n d g e o m e t r ya l i g n m e n tm e c h a n i s mo na n i s o t r o p i s mo ff r a g m e n ti o n sd i s t r i b u t i o ni nt h e p r o c e s so fm o l e c u l a ra l i g n m e n ta n d i o n i z a t i o nd y n a m i c s 。 k e y w o r d s f e m t o s e c o n dl a s e rp u l s e s ，i n t e n s ef i e l de f f e c t ，m o l e c u l a ra l i g n m e n t ， d y n a m i ca l i g n m e n t ，g e o m e t r ya l i g n m e n t ，p h o t o i o n i z a t i o n ，m o l e c u l a rp h o t l d d i s s o c i a l i o n ， c o u l o m be x p l o s i o n ，t u n n e l i n gi o n i z a t i o n 搦建师范大学理学硕士学位论文 中文文摘 在第1 章绪论中，首先介绍了本论文的研究背景和意义，概述了分子强场准直 与电离效应的发展过程与现状，介绍了分子准直与电离方向目前的研究热点与潜在 的应用领域，并简要介绍了本论文的主要研究内容。 第2 章概述了强场电离的一系列效应包括：光电离理论中的多光子电离过程、隧 穿电离机制和越垒电离机制。概述了分子增强电离效应帮库仑爆炸模型，强场中的 分子电离过程首先发尘的是强场电离，中性分子被电离，随后在库仑排斥力的作用 下，分子核间距连续伸长，分子解离过程开始，由于分子增强电离效应和分子电荷 共振增强电离效应，在到达临界核间距r 。时，分子电离速度迅速增大，发生库仑爆 炸，分子解离过程结束。本章还较详细地阐述了分子隧穿电离理论和计算，这是分 子在强场中最重要的电离机制之一。 在第3 章中，利刚分予准直动力学的半经典理论模型结合场致电离及库仑爆炸 理论建立了分予准直f u 离过程的动力学模型，- ) i ：n 用这个模型模拟了不同的激光参 数对不同的分子作用的准直电离过程，分析了相应的微观动力学机制。研究了激光 参数、分子参数等一系列相关参数在分子准直电离过程中的作用及影响。 第4 章着瑟瑟予探索超极化率在准直动力学过程中的影响，并与极化率项的影响作 比较，重新推导了考虑超极化率项情况下分子空间角度秽的动力学方程，数值模拟 了光强从1 0 1 5 w c m 2 到1 0 1 7 w c m 2 ，脉宽1 0 0 飞秒及短于1 0 0 飞秒激光脉冲作用下从 和c 厶分子的动力学准直过程。明确了分子超极化率及其商阶项在分子准童电离过程 孛所起作用，确定了不同分子类型须考虑超极化率项作用的光强和脉宽范围。 在第5 章中，首先利用分子准直约量予模型结合场致电离与库仑爆炸模型建立了 分子准直电离的量子动力学模型，并应用该模型对强场作用下的n 2 分子体系进行了 数值模拟。通过对比考虑隧穿电离效应和不考虑隧穿电离影响的模拟结果，分析讨 论了隧穿电离效应在分子准直电离过程中的作用。结果显示，隧穿电离效应对准直 订一定的增强作用，但怒还l 汶决于分予屯离闽值和解离时问等参数。 第6 章在分子准直电离动力学模型的基础上结合场致电离和库仑爆炸模型，建 立了包括动力学准直过程和几何准直过程的分子电离准直动力学模型。并对1 2 分子 和n 2 分子进行了数值模拟。通过对数值模拟结果的分析讨论，明确了分予准直电离 过程中，动力学准亢机制和几何准商机制在对咆离碎片角分布取向性中所起作用和 l i i 禚建耀藏大学邋学矮士学位论文 影响。 相关研究结果已经发表在m a s ss p e c t r o m e t r y ，o p t i k ，p h y s i c ss c r i p t 等星际期刊 杂志上。 i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 人们最初发展分子准直技术是从化学反应动力学角度出发的，因为很多的化学 反应都依赖于反应物的方向。最常见的是两种分子的反应，通常分子都不是球对称 的，而反应常常是在某个化学键发生。这就导致了：对单个分子来说，某个方向上 出现的反应几率是最大的。最常见的例子是s v 2 反应，比如 c f 一+ c h ，一c i - 1 3 c l + 厂，当a 一离子从甲基簇末端方向作用于甲基碘时，反应速度 为最大值。单分子反应也同样有方向性，比如光化学反应过程中，光子的吸收就依 赖于分子的准直方向。一个简单的例子是c d ，分子的振动态激发：当激发光源的偏 振方向平行于分子轴时，其沿轴方向上的伸缩振动效应表现为最大；相反地，如果 激发光源偏振方向与分子轴垂直时，其轴上的弯曲振动效应表现为最大。 为了化学反应动力学的需要人们发展了控制分子方向的分子准直技术，这种技 术的实现到目前为止主要依靠三种手段：( 1 ) 碰撞过程，( 2 ) 静电场，( 3 ) 光场。 前两种手段各有其优点，但是共同的缺点是要求的条件高，通用性差，因此逐渐被 第三种方法取代。 人类认识到光与能对物质施加力的作用，最早可以追溯到开普勒( k e p l e r ) 的 时代。1 6 1 9 年，开普勒在一篇关于彗星的论文中提出假说认为：太阳光对慧尾物质 存在力的作用，因为，观察中发现彗星的尾部总是指向背对着太阳的方向。但是， 直到1 9 世纪7 0 年代麦克斯韦( m a x w e l l ) 的电磁和能流密度计算理论提出后，人们才开 始能够定量的计算光对物质力的作用。不久以后l e b e d e v ( 1 9 0 1 年、) 、n i c h o l s 和 h u l l ( 1 9 0 1 和1 9 0 3 年) 分别用实验证明了光压的存在，实验显示光对悬挂在真空中的镜 面施加了一个微小的力，使之转动。1 9 1 7 年，爱因斯坦揭示了光的量子性，认为每 个光量子带着p = h 入的动量，其中入是光波长，h 是普朗克常数。而任何物质对光量 子的吸收和发射都伴随着动量的转换。 直接观察到光对单个原子的力的作用是在1 9 3 3 年，f r i s c h 钡j 量了一束钠原子流的 衍射效应，实验表明控制原子外自由度即线动地是可行的；而光控制原子内自由度 t , l j s f l 动世的实验域i 三足k a s t l e r 在1 9 5 0 年代j l ：始的。随稽激光的发明，光对原予进行 控制的研究傲极人的促进了。b 2 终这j i 噎研究：，致了激光冷即和俘扶原了技术的成功 福建师范大学理学硕士学位论文 和玻色爱因斯坦凝聚的实现。 激光技术应用到分子准直、取向研究最早的是从4 0 多年前研究脚；开始的i h2 1 ， 嚣来入们认识到对于分子准宣、取向也可以利用激光辐射场来实现，但这种方法真 正系统靛研究是在嵩功率脉冲激巍蠢现戬焉。，激光酌应用可以分为两种典型技术； 一是擞据竞鳃原理1 3 一。老解过程麓效率一般取决予跃迁藕摄矩藕激巍兜瓣瓣扮镰擐 矢量之闻的夹焦，嚣越遥过光悠可以健某些取彝i 憨分子被解离搏瑟另外一些取离鳇 分子被魁下，从而实现分子准直、取向。另一个技术是利用线性偏振辐射【5 6 】的选择 定剡m = 0 。此时从激光的作用类型上划分，激光可以是非共振激光也可以是拱振 激光，稷显然非燕振激光是酋选，僵是豳须确保避免分子激发韵影响( 光化学反应、 激发悉恕离等) 。在簿共摄激竞雅壹释取窝研究中，潮裂靛是r a m a n 类型翡选择定 剥j 嚣0 ，生2 ，分子鲢诱学偶极矩与激光电场稳互作耀 极纯作翅) 使褥转动焦动 量发生准直、取向分稚。 早期的光操纵原子的方法利用原子能级结构的跃迂和大的动态极化率( d y n a m i c p o l a r i z a b i l i t i c s ) ，动态极化率往往伴随着近共振激发。但是因为有复杂而密集的电 子能级结构的存在，并且这些结构之麓容易发生独立跃迂，这些方法并不熊轻翁地 控键原予。势了避免这些跃迂豁发生，就霈要应惩低频菩共振激光。两i 摹莛薮巍场 下的原予极化率比较小，要对骧予进行操纵霪要高强度鳇激光。但是瞧手技术麴限 制，多年以来人们一直没有能够找到足够强度的激光进行与原子非共振的相亘作用， 直到1 9 7 8 年才实现激光聚焦原子柬的实验。更困难的是，要达到原子非共振相互作 蔫一群鹣效采，激光与分子瓣菲共振福甄律用需要汔与原予作用强度更高的激光场。 鲻嗽然冲放火t 。c p a ) 技术瀚发谢缀人瓣雉凑了激毙技术麴发蕊健人稍虢产生嚣 要的用予对分子进行非共掇控制的超强激光脉冲，用激光聚焦分子寒的实验直到 1 9 9 8 年才实现，与聚焦原子柬实验相隔蹩整2 0 年。现代激光技术使相甄作用能约为 5 0 m c v ，持续时闻可达几百个皮秒的激光能够普遍的威用于分子的非菸振稠甄作用， 这稀麓量足激捧制2 穸室溢下盼分予熟效应，使在室温下操纵分子成隽可麓。 戳激光赫冲长短来嚣分，连续激光稠长脉冲激光激光脉冲辩闻长度远远大于 分予转动震期) 7 - 9 1 n - - 墩缝热戆将体系浆进到沿镶撤耄蒜摆动扮势布麴摆动态( p e n d u l a r s 越e ) 。此时是一缝热过程，动力学熬素不起作瘸，势且在脒冲激光情况下，翔粟 激光强度衰减的足够慢，那么在脉冲结束后准直、取内排稚也随之消激。姻反，短 笫1 章绪论 脉冲激( 激光脉冲时间长度小予分子转动周麓) 光作用后将或多或少地有存留的准 直、取向排布【l o n l 。此时动力学因素将导致在激光脉冲结束后分子处于转动相干叠 加态，并且出于相干效应将在脉冲结束后的特定时间点内产生准直、取向重建现象， 并且具有可探测和控制的寿命。激光场分子准直、取向技术理论研究是在近十几年 才得到深入研究和广泛应用的f 1 2 1 刁，1 9 9 5 年f r i e d d c h 和h e r s c h b a c h l 7 】完成了连续激 光和长脉冲激光( 激光脉冲远大于分子转动周期) 分子准直、取向理论研究，这时 可以用时闻平均等效电场下的类似定态的求解s c h r f d i n g e r 方程来描述分子体系。 1 9 9 5 年：s e i d e m a n t l 3 】进行了在短脉冲激光( 激光脉冲周期小于分子转动周期) 作用下 分子的准直、取向的理论研究，指出在短激光脉冲作用结束后将出现分子相干叠加 态：并且在1 9 9 9 年s e i d e 糯a 珏【n 1 进一步将理论工作扩展到超快脉冲激光分子准直、取 向研究中，进行的是同核双原子分子默2 在2 0 0 f s 脉冲激光作用下准直的理论研究。 s e i d e m a n 在短脉冲激光分子准直、取向研究中区分了共振激光f 1 1 1 8 l 与非共振激光【1 9 1 作用下的分子准直、取向。其他人的工作还有，1 9 9 9 ：年o r l i g o s o 等人分析过不同参数 在准直动力学中的作用啪3 ，2 0 0 2 年a u g e f 小组和b e nn a jh e d d e r , j , 组发展了基因算 ( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 对强场准直进行优化2 1 3 2 羽，l _ s a m , c h e l k o w s k i 和m n d r a u k 2 0 0 0 年探讨了振动激发态的准直情况】。 在准直应用方面最近几年发展迅速，一些新的激动人心的应用被提出：2 0 0 1 年 v e l o t t a 和同事使用3 c 0 p s 激光脉冲准直高密度水蒸气并以此增强了高次谐波，验证 了h p p a s 矧m a 豫n g o s 2 0 0 0 年提出的设恕1 ；丽k a l o s h a , j 、组f f l ：i b a r t e l d 、组2 0 0 2 年实现 了用分子准稳：方法进行激光脉冲秣形，以一束短脉冲或一个绝热开扁瞬时关闭脉冲 对泵浦媒质的折射率进行调制2 5 3 1 ，实验显示延时发出的探测光进入媒质后将被 极大的压缩；2 0 0 1 年m a r d w a j 等人探讨了利用激光准直的势阱作用研究强场电离中 电子的再碰撞效应弪刀，即以隧穿效应电离的电子在激光场的作用下与原来的母体 核子发生蒋散射这一过穰还被用于产生分子的电予衍射图像瀚 ；2 0 0 3 年s e i d e m a n 等人应刖椭蹦偏振光在实验上实现了分子的三维准炎旺引。 1 2 研究热点及主要应用领域 分子准直的研究热点目前主要集中在两个方面： ( 1 ) 、对光吸收和光解离的控铡 通常分子对偏振光的吸收依赖于分子相对于偏振方向的准直程度，因此可以通 3 禚建帮藏太学瑗攀鞭士学谴谂文 遗控制激励激毙场偏藩方离与准童激光场编掇方赢的夹蹩，选择性的激发所需字称 的电子态，阏对撺粼其她态的跃迁。 ( 2 ) 、实现对秃福瓣转换过程的探测 笼辐瓣转换瀚蘧蠹转换和系统溺交叉转换) 在过去豹凡十年一蛊是研究熟燕 点，蔼逮毯是激靛悫渤力学上瓣个蕊邃现象。近凡年来，大稍大力研究液鼷时域 方法探测秃辐射转换动力学，其审蠹转换嚣毙常卷是超抉熬著且滩墩在熊域上进稽 磷究，因姥必须应用泵浦探测技术迸褥实验，该技拳遗过测量泵瀵光和攘测党的延 迟时闻( 内转换蜜质上是延迟时间的函数) ，以此对内转抉进行观测。 分子准直在其他方面的潜在应用，包括： 嵩次谐波和x 射线激光的增强 分予的俘获和控制 化学反成麴攘翻 分子缮构的组装，包括生物领域的大分子结构 实现羹予信息与量予计算过程 董3 本课题主要研究内容 本课邀麓主螫隧鹃是通避探綮分子准赢动力学过糕和电离过程，建立檩应麓物 理摸囊。并巍诧蒸勰上研究分子硪赢槐蕊与分子竞离梳澜瀚稆互作雳关系：研究各 种激巍参数翻分予参数对港赢电懑过程靛影魄；礤究簌分子准壹电离凑力学过程牵 动力学溅盥麟餐与儿 准盛罄麟g 埘碎嚣离- t 熊分匆羹鍪交瓣缝努筹莲越游侍么样瓣嚣 震。本课题的艟终b - i 的是建囊一个完耩阮分予硪藏电离动力学模絷，谯该模型基礁 上对一魑潜在应用领域进行探索。 4 第2 章分予强场i 乜离理论 第2 章分子强场电离理论 2 1 前言 在过去的一个世纪里，对光与物质是褶互作用机制的探索一直是物理学发展的 核心问题之一。上世纪初，人们通过分析原子的散射和吸收光谱，了解了原子的电 子壳层结构。激光的出现，使这种探索手段发生了革命性的进步。 最近几十年，随着超短脉冲激光技术的发展，对光与物质机制中的一些超快动 力学现象的研究成为现实。这些领域涵盖了从小分子电离到复杂生化光动力学。通 过超短脉冲技术，人们可以探索分子的运动，包括振动、转动及分子键的断裂。这 些动力学行戈都发生在飞秒量级的时闻尺度内( 1 飞秒= 重拶强秒) ，这也壹接导致了 飞秒化学的诞生。a h m e dz e w a i l l 3 0 l 因为对飞秒化学的原创性贡献而荣获1 9 9 9 年诺贝 尔奖。 近几年来，超快光学j 支术迅猛发展，人类已经能在可见光谱内制造短至几个飞 秒的激光脉冲【3 1 】。这几乎是光电场震荡周期极限。而近两年来这一极限再被突破， 人们利用飞秒激光对惰性气体原子的离次谐波效应产生了超紫外波段( x u v ) 的激 光，频率甚至延 枣到了软x 射线波段，这种激光被月予产生阿秒脉冲( 1 # 琴秒= l 莎臻 秒) f 3 2 3 4 】。目前阿秒级的激光脉冲已经应用到探索原子内壳层电子的时间分辨谱， 大量阿秒激光的理论和实验研究f 在进行【3 5 3 9 1 。 另钋，飞秒激光脉冲具有：暑；毫的峰值光强。蠢潦人们已经侧造出了脉宽为重o l 1 秒，峰戗删发达人l 缴的激光脉冲( _ l 太参= 1 0 2 玩) i 。埘强度范幽为l o ”1 0 葚 w c m 2 可以用于研究原予、分了、闭簇及l w i 体等广泛领域内的强场效应【3 2 , 4 1 , 4 2 l 。 大量的研究集中在对原子分子的强场效应上。豢光强达1 0 1 6 w c m 2 时，光电场 戳皮已经与氟原予1 s 轨道束缚能槲当。在这种光强下，正常的微扰理论已经不起作 j 1 j ，取l i 乏的足系列的多光了效成。这些效威包括：闽值i 【i 离( a b o v e t h r e s h o l d i o n i z a t i o na t i ) 【 墨吸收比所需l 也离熊更多的光予数l 挎l ；双电离同时发射出 更多电子及离次谐波i 4 3 猁。 另外，随着强场中原子或分子振动和转动自由度的增加，还伴随着一系列新的 效应，如分子键软化1 4 7 l ，阂值解离( a t d ) 1 4 8 1 ，丽之前预言中的分子键硬化也被实 验所证暖【羽 5 0 】 除了光解离外，强场中的电离动力学也被深入研究。早期的实验表明，带电核 5 橇建舞范大学壤学硬士学霞论文 予的动能比预期的要小，之前的模型认为电离和库仑排斥发生在平衡核间距1 5 1 1 。此 藤，多个模型签2 5 4 l 提出：蠢予电荷凝振增强电离效应( c r e i ) 5 5 l ，库仑爆炸发生 在毙平衡核闻距大蛉距离上。这些模型显示，在一个特殊魏掰谓l 舞界核闽距上，分 子离予具肖趣的f 基斑速率。 分子电离中被电离电子的蒋次碰撞效痰也被广为关注煳。最近的实验显示：魇 予和分子的双电离是豳那然电子的再散射效应导致的，耐随后的库仑爆炸将产生熹 能核予阳。近几年得益于阿秒技术的发展，核予与再次碰撞电子波包的干涉现象也 被成功探测到【嚣l 。 2 。2 光电离机制 传统的电离理论认麓：当单个原子或分子吸收一个超过其电离髓b ，能量为黔 的光子时，该原予或分子将被电离。褥超过电离能的那部分能量将被作必电离电子 的动能带走。当电离能比光予能量高很多时，则需要利用新的电离机制解释。k e l d y s h 系数表示原予或分子束缚电子与光电场中的自由电子的能量之比释9 1 。通常的表述是 利用电场积势能的时闻尺发之毖，懿：激光周期鼍删与隧穿时阕氏勰e l 之毙，k e l d y s h 系数定义为； y 。峰蕊鱼( 2 - 1 ) 2 u p 毛俐 u 表示电子在光电场孛运动的平均熊量 一番22 哺2 ( 2 - 2 这里，是光电甥振幅，国是惫频率，磊秀光波长。耵。蕊1 2 a 2 这是一个强场效应中 蛉通用参数。 根据光电场强度和光波长决定的k e l d y s h 系数的傻，强场中将出现不同的效应： 第2 章分了强场i 乜离理论 蔓。 x 曲 c m 阳 亡 旦1 0 o 乱 ( a ) t 厂nl 卫d一1 口口1 口刃2 0 “1 qol o2 0 2 01 001 02 d z 【a u 】 图2 1h 2 + 在三种不同强度激光场作用下的三种电离机制：( a ) 多光子电离，( b ) 隧穿电离，( c ) 越垒 电离【5 9 i f i g u r e2 1 ：s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fd i f f e r e n tm e c h a n i s m so fa t o m i ci o n i z a t i o n ：( a ) m u l t i p h o t o n i o n i z a t i o n ，( b ) t u n n e l l i n gi o n i z a t i o na n d ( c ) o v e r - t h e b a r r i e ri o n i z a t i o n ( a ) y 1 ，多光子电离 这一机制主要条件是：大的电离能，强度达1 0 1 3 1 0 1 4 w c m 2 高频激光场。电 离机制如图2 1 ( a ) 所示，电子吸收多个光子，并经过一系列中间态被电离。这样 的现象只有在高光强下才能发生，电离速率与光强服从r 。a ，”关系。在这一光电离 机制中，电子随光电场谐振，并在每一个光学周期作用下积累能量直到其动能超过 电离能而电离。这一过程还伴随着核子对电子的散射效应。如果多个光子能量相加 恰好等于电离能，则电离概率将大大增加。这种吸收多个光子，经一系列中间态而 电离的现象被称为阈值电离( a b o v e t h r e s h o l di o n i z a t i o n a t i ) 1 1 7 1 。 ( b ) ，一l ，场敛隧穿i u 离 这一机制：1 乏要发卜- - ，川、u 似7 1 1 ；i 为1 0 1 4 1 0 1 5 w c m 2 低频光场作用下。光电场每个周期 内的电离概率都是独立的，光电场将库仑势压低，使束缚电子通过隧穿效应穿越势 垒，从而电离，如图2 1 ( b ) 所示。电离概率由势垒宽度和光强决定，这一过程中 电子与核子之间不发生散射效应，但电子已经被光电场拉到了分子轨道的边缘，通 过隧穿效应电离。 ( c ) ) ，1 ，越垒电离 当光强达至1 1 1 0 1 5 w c r n 2 时，光电场强度将库仑势压低，使电子不需要通过隧穿效 应也能自由穿越势垒，如图2 1 ( c ) 所示，这一种电离机制发生在一个光学周期内。 2 3 分子增强电离机制和库仑爆炸 当分子在强场中被初步电离之后，由于库仑力的作用，两核子相互排斥，核间 7 福建辫蒸穴学毽鬻壤士攀镦谂文 藤变大。这射分子离予的毫离行为可黻用个拳经典模型描述；设分子此时准壹在 光魄绣方鸯上，两孩子嚣羚朦电子翡撵瘸w 以看成是个双势戮系统，分子轴上势 戆联麟以表示域； 秽一一f q t 丽2 一再q 丽2 一黼 鲻) 这照蹬龄绫魏怒磁篆子棱愈麓数之耱，x 最沿辘蠢的链爨燕椽，嚣楚棱阕簇，簿麓 光瞧场强凄。 嚣乡 屡慧子麴箍级霹表示成； 致。( - e , - q ：t r ) + ( - e 2 - q , i r ) ( 2 - 4 )。 z 其中鞔耩魏是爨原予离子鲶逝离簏。 1 0 。 0 一孽垂 2 鑫 | i - 3 0 l + 芝麓。糕。】 遴羔2 在1 2 x1 0 瓤l c m z 毙豢f 薹毯在誉隧竣潴距繁揽”f 越辘舞邀势璐势器龄| f i g u r e2 。2 ：p o t e n t i a le n e r g yo f t h ee l e c t r o ni nt h ec o m b i n e df i e l do ft w op r o t o n s ( 1 0 c a t e da t * r 2a n d r 2 ) a n d 鑫s t a t i ce l e c t r i cf i e l d 雕2 0 描述7 辩2 + 雀1 2x1 0 1 4 w c m 2 光裂下辙彝电势燃憋分枯情溅。趟个夺燮分 别楚在鲤个不同核间距憾况下的瞧势场分布，鎏孛水平线表示最低两个毫孑态盼戆 级能箴，如圈2 。2 所示，对于小的核问距，l 叠f 了：外部势垒较黼，内部势垒低，电子 可以谯梭朗翻癫穿梭。此时掩串分予离予瀚l 如离概率垮鲺原予接近。警核闻距增大 霹，磷势瓣r 擎 巷熬势垒蠹离，戳赣了l 囊予在谢竣瓣瓣送凑。在半个竞学蓬麓蠹，避 予将被魁予某个势辫 l | ；隧瑟f o 弘个兜学测燃到柬，l 慧场方内改变，幽予辫塔巍效 8 箩移一礴1蛰秣啦一懋一w蛰耐越 第2 章分了强场l 乜离理论 应这些被困电子能级将周期性的上涨或回落e o l 坭，当处于高能态时，电子将具有更 高的隧穿概率，穿越核间势垒逃逸。在某些特定核间距，这一机制将使分子离子的 电离概率大大增强，这就是场致增强电离效应。而当核间距继续增大，中间势垒变 宽而难以穿越，分子离子的电离概率又将回到与原子相当的水平。 在强场中，分子从初步电离开始，由于库仑排斥力的作用，核间距不断增大， 当达到某些特定核间距离时，电离几率比平衡核间距要大得多，电子被迅速电离。 这一过程即库仑爆炸，这种电离几率大的特殊核间距被称为临界核间距。 2 4 隧穿电离理论 分子的隧穿电离理论( m o a d k ) 【删是由原子的a m m o s o v d e l o n e k r a i n o v ( a d k ) 隧穿电离理论【6 l j 延伸而来的，隧穿电离效应的物理意义如图2 3 所示。当外场作用 于分子时，原子核库仑力产生的势垒将发生改变，图2 3 中，在z 负方向势垒被压 低，电子将有较大的隧穿几率穿越势垒。隧穿电离理论的目的就在于求解这种隧穿 几率。该理论首先假设分子对光电场的反应是实时的，如静电场，谐振场的电离几 率由静电场电离几率作时间平均得到。 图2 3 原子的库仑势，实线表示有外场作用的情况，虚线表示无场情况， 图中的横虚线表示电f 的束缚能 f i g u r e2 3 ：s k e t c ho ft h ep o t e n t i a ls e e nb ya ne l e c t r o ni nac o m b i n e dc o u l o m bp o t e n t i a la n das t a t i c f i e l dd i r e c t e da l o n gt h eza x i s ( s o l i d ) t h ep u r ec o u l o m bp o t e n t i a l ( d a s h e d ) a n dt h eb o u n ds t a t ee n e r g y ( c h a i n ) i sa l s os h o w n 分子隧穿电离速率的计算公式比原子的要复杂得多，这是由以下两个原因决定 的：f ，i 先，刈称结构的改馊，使肠i 米川j ：球刈称结构的轨道波函数不孵通j t j ，而必 须处：；n f l 髓，模拟计算中号| 入商渐分布计算蕉分布半离全宽。 3 。2 数值模拟结果和讨论 3 。2 1 不考虑分子电离和解离影响的动力学准直 当强飞秒激光脉冲作用分子时，光r 【l 场与分子作用产生偶极矩，偶极矩将使分 子受到一个转矩，当转矩足够大时，能使分子轴定向在光电场偏振方向上，如果不 考虑分子的趣离和解离，方程( 3 。2 中的黼尼项为零。分子在脉冲结束看将继续转 动。鹜4 1 给盛了光强兔熏毋5 w c m 2 ，1 0 0 飞秒线偏振激光脉洚作属下，不阕裙始焦 度的，分子空间角度随时闻演化的情况。从图中可以糟出，分子在脉冲开始阶段首 先转向光偏掇方向：然后，在光偏振方向即空间角0 。附近做谐振运动，脉宽越长， 1 4 第3 章强场中的分了准直i 【l 离 振动越快，这就导致分子角分布在空间角0 。出现峰值。这一结果在实验上得到验证， 电离碎片主要分布在0 。角附近，这也表明方程( 3 2 ) 即使不考虑分子电离和解离现 象也能解释一些实验结果。 d 2 西 。 口 - ， 旦 c 1 2 0 8 0 4 0 0 1 2 0 6 0 0 一，7 ，8 矿二：答 01 0 02 0 03 0 04 0 0 t i m e “s ) 图3 1 n 2 分子在光强为1 0 1 5 w c m 2 脉宽1 0 0 飞秒线偏振激光脉冲作用下空间角随时间的演化 f i g u r e3 1t i m ee v o l u t i o no ft h ed i f f e r e n ti n i t i a la n g l ef o r n 2f o ral a s e ri n t e n s i t yo f1 0 1 5w c m 2a n da p u l s el e n g t ho f1 0 0f sw i t h o u tc o n s i d e r i n gm o l e c u l a ri o n i z a t i o na n dd i s s o c i a t i o ni ni n t e n s el a s e rf i e l d s 1 5 0 1 0 0 5 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 o 9 0- 6 0- 3 003 06 09 06 03 003 06 0如 4 0 0 1 0 9 06 03 0o3 06 09 0乏a t 4 0 0 r si n s t a n t s p a t i a la n g l e ( d e g r e e ) 图3 2 在光强为1 0 1 5 w c m 2 脉宽1 0 0 飞秒线偏振激光脉冲作用下n 2 分子在不同时刻( t = 1 0 0 ， 2 0 0 ，3 0 0 ，4 0 0 匕秒) 的加分稚 f i g u r e3 2 a n g u l a rd i s t r i b u t i o n sf o rn 2a ts e v e r a lp a r t i c u l a ri n s t a n t s ( f = 1 0 0 ，2 0 0 ，3 0 0a n d4 0 0f s ) f o r l a s e ri n t e n s i t yo f1 0 5w c m 2a n dap u l s el e n g t ho f1 0 0f s 数值模拟的结果还表明：随着l l , - j i i = j 的演化，原来在0 。角附近的角分枷峰值将移 1 5 亩=c；q高一盟c30u 接熊磐蕺大学理攀硬圭学位论文 怒别处。如图3 2 所示，甄分子在不溺时刻( t 黧1 0 0 ，2 0 0 ，3 0 0 ，4 0 0 飞秒) ，空间角 分布发生甥显变化，在1 0 0 飞秒时刻大部分分子准壹在光偏振方商；在2 0 0 飞秒时刻 角分布峰值仍在光偏振方囱上，但是在其他方向上已经出现蘧个小蜂；丽到了3 飞秒的时刻，角分布的峰值已经不在0 。角了；最后当脉冲结束时刻( t = 4 0 0 飞秒) ， 角分布最大值又回到光偏振方向上。模拟计算料：、职、1 2 、c 0 2 和嬲：分子时， 都麓褥裂类似酶上述过程。这也表髓，分子电离时刻和解离时刻的时间点对于分子 动力学准壹的程度的大小是薯 常重要的影响因素。 3 。2 2 分子参数对动力学准宣的影晌 分子参数，包括约化质量、电离能、转动惯量秘线性极化率，对动力学准蛊有 着重要影响，图3 3 和图3 4 为数值模拟所得不同分子( 。、b r = 、1 2 、c d ，和c s 2 分子) 在光强为1 0 1 5 w c m 2 ，脉宽1 0 0 飞秒激光脉冲作用下，电离时刻和解离结束 时亥g 分子焦分毒情况。放图中毒以看爨：在电离时刻鲰、和c s 2 分子没有表现出 准直的特征；从朔c o ：分子则表现非常甓显；瓶h 2 分子的是分布峰值已经扶零度 转移到了- - - 3 0 。附近。在解离结束时刻即动力学准直结束时刻，m 和c o 分子与电离 时刻相比角分布没有明显的变化；日，分子的角分布峰值仍然在生3 0 。附近，但是在o 。 角附近爨现了一个小蜂；丽对于溉、1 2 和船，分子，动力学准壶的效果已经非常明 显了。这表甥：娥、敞昶c o 等轻分子翁动力学罐壹过程主要发生在分子毫离之 l i f ，i l ；溉、1 2 墨1 t c 墨等承分予的动力学i l 嚣瓶过程主要发生在分予鳃禽过程孛。 霪 暑 j 矗 s 协 芑 o o o 1 0 0 + 8 o 6 0 + 4 | 。，宠 o 。o - 毛 o- 6 0- 3 0o3 06 09 0 s p a t i a la n g l e d e g r e e ) 图3 3 不同分子( h ，、矾、 、c o , 和，分子) 在光强为1 0 1 5 w c m 2 ，脉宽1 0 0 飞 秒激光脉冲诈阁卜，电离时刻分子角分布情况 f i g u r e3 。3a n g u l a rd i s t r i b u t i o n sf o rh 2 ，n 2 ，b r 2 ，1 2 , c 0 2a n dc s 2a tt h ei n s t a n tw h e nt h em o l e c u l e s i o n i z e df o ral a s e ri n t e n s i t yo f1 0 1 5w c m 2a n dap u l s el e n g t ho f1 0 0f s 1 6 第3 带强场中的分予准直也离 ，o o 8 o 6 o 4 o ，2 o o 9 0- 6 0- 3 008 06 09 0 s p a t i a ta n g l e ( d e g r e e ) 图3 4 势数值模拟所褥不同分子( h 2 、职、1 2 、c d 2 和傩2 分子) 在光强为l 拶5 w c m 2 ， 脉宽1 0 0 飞秒激光脉冲作用下解离结束时刻分子角分布情况 f i g u r e3 4a n g u l a rd i s t r i b u t i o n sf o rh 2 ，n 2 ，b r 2 ，1 2 ，c 0 2a n dc s 2a tt h ei n s t a n tw h e nt h em o l e c u l a r d i s s o c i a t i o n w a so v e rf o ral a s e ri n t e n s i t yo f1 0 1 5w c m 2a n dap u l s el e n g t ho f1 0 0f s 表3 1 哎、职、厶、c o z 希1 c s 2 分子的不同参数包括约化质量，电离能，r 表示分子核 间距在平衡位置r 时，分子的线性极化率和转动惯量的比值 t a b l e3 1c o m p a r i s o no fm o l e c u l a rp a r a m e t e r si n c l u d i n gt h em o l e c u l a rr e d u c e dm a s s ，t h em o l e c u l a r i o n i z a t i o np o t e n t i a l ，a n dt h er a t i oro fm o l e c u l a rl i n e a rp o l a r i z a b i l i t yt om o m e n to fi n e r t i aa tt h e e q u i l i b r i u mi n t e r n u c l e a rd i s t a n c eo fn e u t r a lm o l e c u l e ，趣，f o rh 2 ，n 2 ，b r 2 ，1 2 ，c 0 2a n dc s 2 m o l e c u l e sm o l e c u l a rr e d u c e dm o l e c u l a ri o n i z a t i o n r ( a s r 5 ( k g ) p a r a m e t e r s l l l a s s ( k g )e n e r g y ( e v ) n ， b n 1 2 c o ， c s 2 1 1 6 2 1 0 2 7 6 6 3 2 1 0 2 7 1 0 5 3 3 1 0 2 7 1 3 。7 7 l o 一2 7 2 6 。5 6 1 0 2 7 1 5 s 8 1 0 5 2 9 4 0 1 3 7 7 1 0 0 7 研究表明，主要有三个分子参数在起作用：分约化质量，电离能和线性极化率 与转动惯量之比。表3 1 列出致、融、厶、c 幺和嚣，分子的不同参数，r 表示分 子核问蹈在平衡毹戳亿时，分子的线性极化率和转动惯景的比值，符p ，和c o = 分 子电离能比矾、，和，分子的大，这意味着分子离子，+ 、