CS2分子的強(qiáng)場(chǎng)光電離研究

李蘭蘭，張 科，楊智軍，余海軍,杜建明

(淮南師范學(xué)院 電子工程學(xué)院，安徽 淮南 232038)

0 引言

1960年美國(guó)科學(xué)家梅曼發(fā)明了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器.自此以后，人們不斷努力地研究和發(fā)展激光技術(shù)，以提高激光功率、擴(kuò)展激光波長(zhǎng)范圍、縮短脈沖寬度以及使激光向全固態(tài)、小型化及微型化方向發(fā)展[1-2].激光技術(shù)的快速發(fā)展，帶動(dòng)了光物理、光化學(xué)和分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的快速發(fā)展[3-4]，使得激光場(chǎng)進(jìn)入了強(qiáng)場(chǎng)領(lǐng)域.相對(duì)于弱激光場(chǎng)而言，原子和分子與強(qiáng)場(chǎng)相互作用時(shí)會(huì)表現(xiàn)出一系列復(fù)雜的新現(xiàn)象：非次序雙電離或多電離[5-7]、高階閾上電離[8-9]、高次諧波的產(chǎn)生[10-12]、分子的庫(kù)侖爆炸[13-14]和增強(qiáng)電離[15-16]等.由于飛秒強(qiáng)激光場(chǎng)中的電場(chǎng)強(qiáng)度相比原子或分子內(nèi)部庫(kù)侖相互作用時(shí)的強(qiáng)很多[17-18]，所以經(jīng)典的微擾理論已經(jīng)不再適用.理論上通常用庫(kù)倫爆炸[19-20]、有質(zhì)動(dòng)力能[21]和Keldysh提出的非絕熱系數(shù)γ[22-24]來(lái)研究原子和分子在強(qiáng)場(chǎng)中的電離現(xiàn)象.在庫(kù)侖爆炸過(guò)程中，高價(jià)母體離子快速解離，產(chǎn)生碎片離子，在飛行時(shí)間質(zhì)譜上表現(xiàn)為離子信號(hào)呈現(xiàn)多峰結(jié)構(gòu)，多為雙峰結(jié)構(gòu).通過(guò)測(cè)量這兩個(gè)峰之間的飛行時(shí)間差，就可以確定離子的平動(dòng)能

(1)

式中U1、U2分別為引出電極和加速極的電壓；d為兩極板之間的間隔；q,m分別為離子的電荷數(shù)和質(zhì)量；Δt為雙峰對(duì)應(yīng)的兩離子到達(dá)MCP的時(shí)間之差，E為U1和U2之間的電場(chǎng)強(qiáng)度.若Δt的單位是ns，E的單位是V/cm，m用相對(duì)分子質(zhì)量M表示，平動(dòng)能的單位是eV，則：

(2)

原子和分子在強(qiáng)激光場(chǎng)中的電離機(jī)制可按照Keldysh參數(shù)γ來(lái)劃分.其表達(dá)式為：

(3)

式中的Ip為電離勢(shì)，單位是eV，E0為場(chǎng)強(qiáng)，單位是V/cm，I為激光的能量，其單位為W/cm2.由激光強(qiáng)度與電場(chǎng)的關(guān)系可得：

(4)

在強(qiáng)場(chǎng)作用下的電子，其有質(zhì)動(dòng)力能是:

(5)

聯(lián)立以上各式可得：

(6)

當(dāng)γ>1時(shí)，原子或分子的電離方式主要是多光子電離和閾上電離；當(dāng)γ<1時(shí)，電離方式主要是遂穿電離和越壘電離；當(dāng)γ≈1時(shí)，電離方式包括以上兩種方式.

CS2是一種典型的線(xiàn)性的三原子分子，其結(jié)構(gòu)式呈直線(xiàn)式的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu).CS2分子是天體物理和超高層氣流物理學(xué)的重要分子，關(guān)于CS2的電離解離一直備受關(guān)注，人們進(jìn)行了大量的研究工作[25-29].例如，Couris等人[30]在345～370 nm波長(zhǎng)范圍利用飛行時(shí)間質(zhì)譜技術(shù)測(cè)量了CS2的電離譜.隨著超短脈沖激光技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了更多關(guān)于CS2使用飛秒激光電離解離的研究.Safvan等人[31]研究CS2在皮秒激光場(chǎng)中的電離解離，發(fā)現(xiàn)了空間電荷相互作用和激光強(qiáng)度是影響反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的碎片離子碎片分布的重要因素.Farmanara等人[32]使用飛秒激光研究CS2預(yù)解離機(jī)制，發(fā)現(xiàn)CS2解離過(guò)程的相關(guān)性.Wu等人研究了CS2與810 nm波長(zhǎng)的飛秒激光相互作用，指出了CS2在飛秒激光場(chǎng)中的庫(kù)倫爆炸是各向異性的[33-34].Saha K等[35]在皮秒和飛秒激光中研究了CS2的電離和幾何結(jié)構(gòu)，并通過(guò)比較質(zhì)譜得到:在線(xiàn)偏振光和圓偏振光中是不可能將CS2的電離和幾何結(jié)構(gòu)區(qū)分出來(lái)的.筆者主要利用飛秒激光器、超聲分子束與飛行時(shí)間質(zhì)譜相結(jié)合的方法，研究了CS2在波長(zhǎng)800 nm，重復(fù)頻率1 000 Hz、脈寬35 fs的飛秒激光場(chǎng)中的電子激發(fā)態(tài)的非次序雙電離和多重電離誘導(dǎo)解離過(guò)程，實(shí)驗(yàn)中激光強(qiáng)度為1013～1015W/cm2數(shù)量級(jí).電離解離過(guò)程形成的母體離子和碎片離子由飛行時(shí)間質(zhì)譜儀來(lái)甄別.通過(guò)分析非次序雙電離產(chǎn)額的激光強(qiáng)度依賴(lài)關(guān)系、極化效應(yīng)、激光偏振度效應(yīng)和多重電離誘導(dǎo)解離,并結(jié)合理論知識(shí)，研究了CS2分子在飛秒強(qiáng)激光場(chǎng)中的電離和解離機(jī)制.

1 實(shí)驗(yàn)裝置和過(guò)程

如圖1所示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括飛秒激光系統(tǒng)、樣品配置系統(tǒng)、時(shí)間順序控制系統(tǒng)、直線(xiàn)式飛行時(shí)間質(zhì)譜系統(tǒng)等.

圖1 實(shí)驗(yàn)反應(yīng)發(fā)生裝置

實(shí)驗(yàn)所用的飛秒激光器重復(fù)頻率為1 000 Hz、脈沖寬度約35 fs、中心波長(zhǎng)為800 nm的線(xiàn)偏振光.實(shí)驗(yàn)時(shí)脈沖閥工作狀態(tài)下，束源室氣壓為10-3Pa、電離室氣壓為10-5Pa.實(shí)驗(yàn)采用的是高壓超聲分子束，以氦氣作為載氣，按一定濃度混合裝在與脈沖閥相連的不銹鋼罐中，氣體配完后通過(guò)脈沖閥向束源室噴出載帶樣品的氣體，形成的超聲分子束經(jīng)過(guò)skimmer進(jìn)行準(zhǔn)直后飛入電離室，利用DG535控制脈沖寬度，并由此控制進(jìn)樣量.實(shí)驗(yàn)研究的CS2為液體樣品，濃度高于99.5%.用氦氣作為載氣，利用鼓泡法將CS2帶入實(shí)驗(yàn)用的不銹鋼罐中，并稀釋CS2在不銹鋼罐中的濃度直至達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求.配制的混合氣經(jīng)由DG535觸發(fā)的脈沖閥使樣品氣體進(jìn)入束源室，產(chǎn)生的分子束經(jīng)直徑1 mm的漏勺(Skimmer)準(zhǔn)直后進(jìn)入電離室，自由飛行約7 cm后，與經(jīng)焦距為25 cm的透鏡聚焦的800 nm飛秒激光束進(jìn)行作用，產(chǎn)生離子碎片.各種離子經(jīng)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)進(jìn)行偏轉(zhuǎn)后，再經(jīng)加速電場(chǎng)加速沿TOF管自由飛行，由粒子探測(cè)器進(jìn)行接受.實(shí)驗(yàn)時(shí)，為獲得高質(zhì)量、高分辨率質(zhì)譜信號(hào)，通過(guò)調(diào)試真空腔體中引出極、加速極和MCP的電壓分別設(shè)定在1 470 V、1 150 V、-1 995 V，采集質(zhì)譜信號(hào)時(shí)均平均2 000次.1 000 Hz的飛秒激光觸發(fā)脈沖經(jīng)由本實(shí)驗(yàn)組自主設(shè)計(jì)和組裝的頻率轉(zhuǎn)換器(1 000 Hz→10 Hz)與DG535相連，并通過(guò)DG535控制脈沖閥觸發(fā)脈沖和示波器采集觸發(fā)脈沖，在很大程度上提高了信號(hào)的分辨率.

2 結(jié)果和分析

1)平行線(xiàn)偏振光(激光偏振方向與TOF軸平行)

圖2是分子CS2在光強(qiáng)9.108×1014W/cm2作用下的飛行時(shí)間質(zhì)譜，分子CS2電離產(chǎn)生了質(zhì)荷比為76、38、32、25.3、16、12、10.7、8、6、4的各種離子，分別是CS2+、CS22+、S+、CS23+、S2+、C+、S3+、S4+、C2+、C3+，其中CS2+、CS22+信號(hào)較強(qiáng)，S+、CS23+、S2+、C+、S3+、S4+、C2+、C3+信號(hào)較弱.

2)電離解離通道隨激光強(qiáng)度的變化

在平行線(xiàn)偏振光作用下，激光強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，分子CS2電離產(chǎn)生的母體離子和碎片離子的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)增大.通過(guò)調(diào)節(jié)飛秒激光的強(qiáng)度，觀(guān)察不同激光強(qiáng)度對(duì)離子信號(hào)強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖3所示.從圖中可以清楚地看出，隨著激光強(qiáng)度的逐漸增強(qiáng)，電離產(chǎn)生的各種碎片離子的質(zhì)譜峰強(qiáng)度也在逐漸變強(qiáng)，其中S+、CS23+、S2+、C+、S3+、S4+、C2+、C3+等離子增長(zhǎng)緩慢，CS2+和CS22+離子信號(hào)增長(zhǎng)較快.

圖2 分子CS2在平行偏振光下的飛行時(shí)間質(zhì)譜

圖3 水平線(xiàn)偏振方向與飛行方向平行的飛秒激光的 不同能量下CS2的質(zhì)譜

圖4選取了CS2+、CS22+、S+和C+4種離子，橫軸為激光強(qiáng)度，縱軸為離子信號(hào)強(qiáng)度，顯然，這4種離子信號(hào)強(qiáng)度都隨激光強(qiáng)度增強(qiáng)而增大.

圖4 水平線(xiàn)偏振激光場(chǎng)中CS2+、CS22+、 S+ 和 C+離子信號(hào)變化趨勢(shì)

圖5是CS2分子在平行線(xiàn)偏振和垂直線(xiàn)偏振兩種情況下，激光能量為9.1×1014W/cm2時(shí)的飛行時(shí)間質(zhì)譜.從圖中可以清楚地看出，CS2分子分別在平行線(xiàn)偏振光、垂直線(xiàn)偏振光中的電離產(chǎn)生的離子碎片產(chǎn)物是不相同的，這是由于CS2分子在與激光作用時(shí)，庫(kù)侖爆炸產(chǎn)生的離子碎片的角分布是各向異性的.同時(shí)，在平行線(xiàn)偏振方向的飛秒激光場(chǎng)中，S2+、S4+離子信號(hào)有三峰結(jié)構(gòu)，中間的峰是由母體直接電離產(chǎn)生，兩邊的峰由庫(kù)侖爆炸產(chǎn)生，S3+、S5+離子信號(hào)有雙峰結(jié)構(gòu)，是由庫(kù)侖爆炸產(chǎn)生的.這說(shuō)明在平行線(xiàn)偏振光中，有多個(gè)解離通道產(chǎn)生S2+、S4+、S3+、S5+離子.而在垂直線(xiàn)偏振激光的條件下，S2+、S4+離子信號(hào)都是單峰，S3+、S5+離子信號(hào)幾乎看不到.顯然，飛秒激光偏振方向發(fā)生變化時(shí)，在飛行時(shí)間質(zhì)譜中碎片離子的信號(hào)峰的結(jié)構(gòu)會(huì)有所不同，這是由分子的幾何構(gòu)型特征決定的，而母體離子CS2+、CS22+和CS23+信號(hào)峰的峰型結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度在平行線(xiàn)偏振光、垂直線(xiàn)偏振光作用下基本相同.

激光強(qiáng)度為9.108×1014 W/cm2圖5 CS2分子在平行線(xiàn)偏振光和 垂直線(xiàn)偏振光下的飛行時(shí)間質(zhì)譜

圖6是CS2分子在平行線(xiàn)偏振、圓偏振，激光強(qiáng)度為9.108×1014W/cm2下的飛行時(shí)間質(zhì)譜.圓偏振激光場(chǎng)中的碎片離子產(chǎn)物和平行線(xiàn)偏振激光場(chǎng)中碎片離子產(chǎn)物種類(lèi)基本相同，只是強(qiáng)度有所不同.S2+、S4+離子信號(hào)都是三峰結(jié)構(gòu)，平行線(xiàn)偏振光下中間峰的離子信號(hào)強(qiáng)度比圓偏振中強(qiáng)，S3+、S5+離子信號(hào)都是雙峰結(jié)構(gòu)，信號(hào)強(qiáng)度也基本一致.

圖7是CS2+和CS22+在線(xiàn)偏振光、圓偏振光下的離子產(chǎn)額隨光強(qiáng)的變化關(guān)系.隨激光光強(qiáng)的增大，兩者都有增大的趨勢(shì)，且CS2+信號(hào)強(qiáng)度大于CS22+的信號(hào)強(qiáng)度.圓偏振光中的CS2+信號(hào)強(qiáng)度與線(xiàn)偏振光中的CS2+信號(hào)強(qiáng)度基本一樣，隨激光強(qiáng)度的變化趨勢(shì)也基本一致.這說(shuō)明在CS2的電離過(guò)程中單電子電離速率大于雙電子電離速率，電離過(guò)程如下:

單電子電離：CS2+ laser → CS2++ e-;

雙電子電離：CS2+ laser → CS22++ 2e-.

激光強(qiáng)度為9.108×1014 W/cm2圖6 CS2分子在平行線(xiàn)偏振光和 圓振光下的飛行時(shí)間質(zhì)譜

圖7 CS2+、CS22+在線(xiàn)偏振光、圓偏振光下 的激光強(qiáng)度依賴(lài)關(guān)系

3 結(jié)論

分子結(jié)構(gòu)相對(duì)于原子來(lái)說(shuō)都比較復(fù)雜，導(dǎo)致分子在強(qiáng)激光場(chǎng)中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)行為更加復(fù)雜.研究原子、分子在強(qiáng)激光場(chǎng)中的非線(xiàn)性反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，有助于人們深入了解物質(zhì)內(nèi)在的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，加快原子與分子物理相關(guān)理論更新的速度，推動(dòng)激光技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用.筆者采用高壓脈沖分子束、800 nm飛秒激光和飛行時(shí)間質(zhì)譜等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，研究了CS2分子電子激發(fā)態(tài)的非次序雙電離和多重電離誘導(dǎo)解離動(dòng)力學(xué).使用飛行時(shí)間質(zhì)譜儀對(duì)光電離產(chǎn)物進(jìn)行甄別，并結(jié)合相關(guān)的理論知識(shí)，分析了不同電子態(tài)的非次序雙電離產(chǎn)額的激光強(qiáng)度依賴(lài)關(guān)系、極化效應(yīng)、激光偏振度效應(yīng)和多重電離誘導(dǎo)解離.我們的研究工作為更深入地研究原子和分子在強(qiáng)激光場(chǎng)中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)行為奠定了基礎(chǔ).