強(qiáng)四飛價(jià)秒離激子光的場(chǎng)多下體二解氧離化動(dòng)碳力二學(xué)聚*體

曾平 宋盼2)? 王小偉 趙晶 張棟文 袁建民3) 趙增秀?

1) (國(guó)防科技大學(xué)理學(xué)院,湖南省極端條件物理及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410073)

2) (河南師范大學(xué)物理學(xué)院,河南省紅外材料光譜測(cè)量與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn),新鄉(xiāng) 453007)

3) (中國(guó)工程物理研究院研究生院,北京 100193)

開(kāi)展了強(qiáng)飛秒激光場(chǎng)誘導(dǎo)的二氧化碳二聚體離子的三體庫(kù)侖爆炸過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究.利用冷靶反沖離子動(dòng)量成像譜儀測(cè)量了關(guān)聯(lián)的碎片離子的三維動(dòng)量矢量和動(dòng)能.結(jié)果表明離子通過(guò)序列解離通道和非序列解離通道分解為離子.在序列解離過(guò)程中,弱范德瓦耳斯鍵先斷裂,然后是強(qiáng)的共價(jià)鍵C=O 斷裂;而在非序列解離過(guò)程中,3 個(gè)碎片離子在一次動(dòng)力學(xué)事件內(nèi)幾乎同時(shí)產(chǎn)生.通過(guò)對(duì)比兩個(gè)解離通道的事件比率,表明序列的解離通道在離子的三體庫(kù)侖爆炸中占主導(dǎo)作用.發(fā)現(xiàn)這種同時(shí)包含范德瓦耳斯鍵和共價(jià)鍵的二聚體或團(tuán)簇在多體庫(kù)侖爆炸過(guò)程中相比單體和僅有范德瓦耳斯鍵的團(tuán)簇具有特殊的動(dòng)力學(xué)性質(zhì),兩種化學(xué)鍵在強(qiáng)場(chǎng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程中扮演不同的角色.

1 引言

二聚體和團(tuán)簇是原子分子通過(guò)弱的范德瓦耳斯鍵(van der Waals,vdW)結(jié)合在一起形成的.通過(guò)研究二聚體和團(tuán)簇的物理和化學(xué)性質(zhì),可以填補(bǔ)對(duì)單體原子分子行為和凝聚態(tài)物質(zhì)之間的認(rèn)知空白.氣體分子形成的二聚體通常有著更長(zhǎng)的核間距,這導(dǎo)致了電子局域于兩個(gè)分子附近,二聚體兩個(gè)單體之間的分子軌道幾乎不重合.二聚體物質(zhì)在強(qiáng)激光場(chǎng)作用下會(huì)表現(xiàn)出與單體原子分子不同的電離解離方式,有著更為豐富的強(qiáng)場(chǎng)動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象,使得二聚體成為研究電荷共振增強(qiáng)電離[1,2]、原子間的庫(kù)侖衰變[3,4]、分子間的庫(kù)侖衰變[5,6]、輻射電荷轉(zhuǎn)移[7,8]等分子動(dòng)力學(xué)過(guò)程的理想候選者.

目前,二聚體和團(tuán)簇在強(qiáng)激光場(chǎng)中的電離和碎片解離動(dòng)力學(xué)得到了廣泛的研究[9-15].由于氣體分子組成的二聚體是強(qiáng)共價(jià)鍵和弱vdW 鍵共存的復(fù)合體,不同性質(zhì)的化學(xué)鍵相對(duì)激光場(chǎng)的取向影響強(qiáng)場(chǎng)電離以及多電離中電子釋放的順序,進(jìn)而影響二聚體的多體解離動(dòng)力學(xué)過(guò)程.二氧化碳二聚體具有平行滑動(dòng)結(jié)構(gòu)[16-18],它在強(qiáng)激光中表現(xiàn)出豐富的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象.2019 年Iskandar 等[19]采用單光子吸收電離的方式,發(fā)現(xiàn)了二氧化碳二聚體在單體的雙電離閾值時(shí)發(fā)生分子間庫(kù)侖衰變的實(shí)驗(yàn)證據(jù).最近的研究表明,(CO2)2的電離和解離過(guò)程強(qiáng)烈地依賴于激光強(qiáng)度,在低光強(qiáng)下弱vdW 鍵在強(qiáng)場(chǎng)電離中起著重要作用[20].

近年來(lái),由于激光技術(shù)和符合測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步,對(duì)高價(jià)分子離子多體庫(kù)侖爆炸過(guò)程產(chǎn)生的碎片離子的符合測(cè)量成為可能.在強(qiáng)激光場(chǎng)下,激光與二聚體的相互作用是極其復(fù)雜的,由于庫(kù)侖排斥力的作用,光誘導(dǎo)的高電荷分子離子通常是不穩(wěn)定的并快速解體而發(fā)生庫(kù)侖爆炸.產(chǎn)生3 個(gè)碎片離子的庫(kù)侖爆炸過(guò)程可通過(guò)序列或非序列的方式發(fā)生[21-23],在序列解離過(guò)程中,碎片離子是分步產(chǎn)生的,其時(shí)間間隔長(zhǎng)于中間體的旋轉(zhuǎn)周期,而非序列解離過(guò)程所有碎片離子都是在一次動(dòng)力學(xué)事件中產(chǎn)生的.通過(guò)多體符合測(cè)量技術(shù)直接測(cè)定相關(guān)碎片離子的內(nèi)部量子態(tài)和三維動(dòng)量分布,可精確地識(shí)別和篩選序列解離通道和非序列解離通道.2016 年,Fan 等[24]對(duì)離子的三體庫(kù)侖爆炸通道進(jìn)行了研究,結(jié)果表明二聚體的三體解離以序列解離通道為主,弱vdW 鍵先斷裂,再是強(qiáng)共價(jià)鍵斷裂.而Song等[25]的研究提供了離子序列解離和非序列解離都存在的證據(jù),并嘗試揭示了兩種解離通道的本質(zhì),它們與離子分解為 CO+離子和O+離子的動(dòng)力學(xué)過(guò)程中的亞穩(wěn)態(tài)解離和瞬時(shí)解離相一致.

本文在實(shí)驗(yàn)上探究了二氧化碳二聚體在強(qiáng)飛秒激光場(chǎng)中發(fā)生了四電離之后的解離動(dòng)力學(xué)過(guò)程,利用多體符合測(cè)量技術(shù)收集了解離通道產(chǎn)生的所有離子碎片的三維動(dòng)量和動(dòng)能.結(jié)果表明,在強(qiáng)激光場(chǎng)的作用下離子的三體庫(kù)侖爆炸通過(guò)序列和非序列兩種通道發(fā)生,并且序列解離通道占主導(dǎo)作用.

2 實(shí)驗(yàn)條件

本文的實(shí)驗(yàn)是基于自建的冷靶反沖離子動(dòng)量成像譜儀系統(tǒng)(cold-target recoil-ion momentum spectrometer,COLTRIMS)[26,27]完成的.二氧化碳二聚體由10 bar (1 bar=105Pa)的 CO2氣體經(jīng)過(guò)30 μm 的噴嘴進(jìn)入真空腔體超音速膨脹時(shí)產(chǎn)生.通過(guò)摻鈦藍(lán)寶石激光脈沖放大系統(tǒng)輸出中心波長(zhǎng)790 nm,脈沖持續(xù)時(shí)間25 fs,重復(fù)頻率10 kHz 的線偏振激光脈沖,并且使用焦距為75 mm 的球面鏡聚焦于分子束上,實(shí)驗(yàn)過(guò)程使用的激光峰值光強(qiáng)為 8×1014W/cm2.此次實(shí)驗(yàn)只采集了離子數(shù)據(jù),激光脈沖從 (CO2)2分子上電離掉4 個(gè)電子,產(chǎn)生的離子在60 V/cm 的勻強(qiáng)電場(chǎng)的約束和引導(dǎo)下到達(dá)位于探測(cè)腔底部的延遲線位置靈敏探測(cè)器(MCP).通過(guò)探測(cè)器獲得所有離子碎片的飛行時(shí)間和位置信息,從而重構(gòu)它們的三維動(dòng)量.

3 結(jié)果與討論

圖1 給出了強(qiáng)飛秒激光場(chǎng)誘導(dǎo)的二氧化碳超音速分子束產(chǎn)生的3 個(gè)碎片離子的飛行時(shí)間關(guān)聯(lián)圖,峰值光強(qiáng)為8 × 1014W/cm2,它是探測(cè)器同一次事件內(nèi)探測(cè)到的第1 個(gè)離子與第3 個(gè)離子的飛行時(shí)間之和對(duì)第2 個(gè)離子的飛行時(shí)間的函數(shù),稱為光離子-光離子-光離子符合譜.其中沿反對(duì)角線方向的亮線表示不同的三體庫(kù)侖爆炸通道,而平行或垂直坐標(biāo)軸的亮線是誤符合的結(jié)果.COLTRIMS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)之一是在一次實(shí)驗(yàn)中可以記錄所有反應(yīng)通道的數(shù)據(jù),在離線分析中,來(lái)自不同反應(yīng)通道的數(shù)據(jù)可通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)施加不同的篩選條件得以區(qū)分.

圖1 光離子-光離子-光離子符合譜,即 C O2 超音速分子束冷靶在光強(qiáng)為 8×1014 W/cm2 的強(qiáng)飛秒激光場(chǎng)作用下產(chǎn)生的3 個(gè)碎片離子的關(guān)聯(lián)圖.其中橫軸是第2 個(gè)離子的飛行時(shí)間,縱軸是第1 個(gè)和第3 個(gè)離子的飛行時(shí)間之和Fig.1.Coincidence spectrum of the time of flight of three correlated fragmentation ions for CO2 gas breakup using intense femtosecond laser field,namely,photoion-photoionphotoion coincidence plot.The X axis is the time of flight for the second ion,whereas the Y axis is the sum of the time of flight for the first and third ions.

圖2 三體庫(kù)侖爆炸產(chǎn)生的 CO+ 和 O+ 離子的動(dòng)能關(guān)聯(lián)圖.將數(shù)據(jù)分為兩部分以作為通道篩選的條件,其中紅色梯形內(nèi)的數(shù)據(jù)記為通道Ⅰ,此部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)應(yīng)序列解離;紅色圓圈內(nèi)的數(shù)據(jù)記為通道Ⅱ,此部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)應(yīng)非序列解離Fig.2.Kinetic energy correlation diagram of CO+ andO+ions generated by three-body Coulomb explosion.We divide the data into two parts,which can be used as the conditions for channel selecting.The data in the red trapezoid is denoted as channel Ⅰ,which is sequential dissociation;and the data in the red circle is denoted as channel Ⅱ,which is non-sequential dissociation.

圖3 兩種三體庫(kù)侖爆炸通道對(duì)應(yīng)的牛頓圖 (a)通道Ⅰ對(duì)應(yīng)于序列解離;(b)通道Ⅱ?qū)?yīng)于非序列解離Fig.3.Newton diagrams corresponding to two kinds of three-body Coulomb explosion channels: (a) Channel Ⅰ is sequential breakup;(b) channel Ⅱ is non-sequential fragmentation.

這兩種解離機(jī)制也可以從庫(kù)侖爆炸釋放的能量中進(jìn)一步區(qū)分開(kāi)來(lái).圖4 給出了三體庫(kù)侖爆炸通道兩種解離機(jī)制釋放的總動(dòng)能譜(kinetic energy release,KER).COLTRIMS 系統(tǒng)可以測(cè)量每個(gè)解離通道產(chǎn)生的所有碎片離子的三維動(dòng)量,進(jìn)而可以獲得每個(gè)碎片離子的動(dòng)能,在特定的解離通道中,所有產(chǎn)物(碎片離子)的動(dòng)能之和是這個(gè)解離過(guò)程釋放的總動(dòng)能.其中黃色正三角線表示解離通道Ⅰ的KER 譜,其峰值位于20.1 eV;紫色倒三角線為解離通道Ⅱ的KER 譜,其峰值位于21.8 eV,兩個(gè)解離通道對(duì)應(yīng)的能量釋放有明顯的差異.為了說(shuō)明離子兩種不同的三體庫(kù)侖爆炸過(guò)程,選取離子的兩體爆炸通道單體的破裂通道作為參考,這兩個(gè)通道的KER 譜如圖4 中的棕色方形線(峰值為14.8 eV)和藍(lán)色圓圈線(峰值為5.4 eV).可以看到解離通道Ⅰ釋放的能量等于兩個(gè)參考通道釋放的能量之和,這是由于序列解離過(guò)程中的兩步解離是相對(duì)獨(dú)立的,兩步解離釋放的能量按照動(dòng)量守恒最終分配給序列解離過(guò)程產(chǎn)生的3 個(gè)碎片離子.

圖4 離子三體庫(kù)侖爆炸序列解離通道(黃色正三角線)和非序列解離通道(紫色倒三角線)釋放的動(dòng)能譜,以及參考通道 (棕色方形線)和 (藍(lán)色圓圈線)的動(dòng)能譜Fig.4.Kinetic energy release of ion by the threebody Coulomb explosion sequential (yellow triangle line)and nonsequential fragmentation (purple inverted triangular line) channel,and kinetic energy release from reference channels (brown square line)and (blue circle line).

4 結(jié)論