張 科 李蘭蘭 張春早

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

隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展，激光的光場(chǎng)進(jìn)入了強(qiáng)激光場(chǎng)領(lǐng)域，利用強(qiáng)激光場(chǎng)來(lái)研究原子、分子的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性，得到研究人員的廣泛關(guān)注。相較于弱激光場(chǎng)，原子、分子與強(qiáng)激光場(chǎng)相互作用的動(dòng)力學(xué)特性會(huì)呈現(xiàn)出許多新的特征，如多光子電離、非次序多重電離和電離誘導(dǎo)解離等。到目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)于原子和分子在強(qiáng)場(chǎng)中的光電離解離的研究主要集中在一些小分子上。Huillier等人研究了Kr、Xe在強(qiáng)場(chǎng)中的多光子吸收電離解離過(guò)程[1]。自此以后，各國(guó)科學(xué)家如Fittinghoif和Walker等圍繞He、Ne、Ar等原子陸續(xù)開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)和理論探索[2]。隨后，Guo chunlei和Gibson等人采用30fs超短超強(qiáng)脈沖激光，在1013—1015W/cm2強(qiáng)度范圍內(nèi)，基于準(zhǔn)確的離子產(chǎn)額測(cè)量、高時(shí)間分辨離子飛行時(shí)間質(zhì)譜、離子-離子關(guān)聯(lián)技術(shù)，詳細(xì)地研究了N2、O2、CO、NO和CO2等小分子的強(qiáng)場(chǎng)光電離和解離[3]。目前，強(qiáng)場(chǎng)光電離和解離逐漸向多原子分子延伸[4]，同時(shí)出現(xiàn)了基于自由電子激光的多重光電離研究[5]。Kosmidis和Nobuaki Nakashima等利用飛秒激光對(duì)環(huán)酮類、六元環(huán)結(jié)構(gòu)和芳香族有機(jī)化合物進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)工作[6]。Vijayalakshmi實(shí)驗(yàn)小組研究了不同激光波長(zhǎng)作用下 NO2分子電離情況[7]。Poth等人利用飛秒激光對(duì)CH3I團(tuán)簇分子進(jìn)行了深入研究，獲得了碘離子[8]。Zewail等人對(duì)環(huán)酮類(環(huán)丁酮、環(huán)戊酮、環(huán)己酮和環(huán)癸酮)的電離解離過(guò)程開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究工作[9]。Wu研究小組研究了環(huán)戊酮和環(huán)己酮分子在強(qiáng)激光場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)行為[10]。Sharifi S M和Kjeldsen T K及Talebpour A等實(shí)驗(yàn)研究小組都在強(qiáng)激光場(chǎng)作用下對(duì)苯進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了不同激光強(qiáng)度下苯的飛行時(shí)間質(zhì)譜和光強(qiáng)依賴關(guān)系，并對(duì)產(chǎn)生母體離子和碎片離子進(jìn)行分析和討論[11]。關(guān)于原子、分子在強(qiáng)場(chǎng)作用下的研究工作已有大量報(bào)道，但關(guān)于在飛秒強(qiáng)激光作用下，激光偏振度效應(yīng)對(duì)多原子分子的電離解離機(jī)制影響的研究則很少。尤其是關(guān)于像呋喃、噻吩這類雜環(huán)化合物分子電離解離規(guī)律的具體信息更是少見(jiàn)報(bào)道。本工作主要利用飛秒激光系統(tǒng)、脈沖超聲分子束與飛行時(shí)間質(zhì)譜儀等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對(duì)呋喃(Furan，C4H4O)在800nm飛秒激光作用下產(chǎn)生的強(qiáng)激光場(chǎng)中的光電離進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)分析C4H4O分子在飛秒強(qiáng)激光場(chǎng)中的飛行時(shí)間質(zhì)譜和碎片離子產(chǎn)額，得到了C4H4O分子的碎片離子產(chǎn)額隨激光強(qiáng)度和激光偏振度效應(yīng)變化的依賴關(guān)系，并結(jié)合強(qiáng)激光場(chǎng)理論對(duì)C4H4O分子的電離解離機(jī)制進(jìn)行討論。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本實(shí)驗(yàn)所采用的系統(tǒng)有真空腔體系統(tǒng)、激光系統(tǒng)、時(shí)序控制器系統(tǒng)、分子束系統(tǒng)和信號(hào)探測(cè)和收集系統(tǒng)[12]。

實(shí)驗(yàn)上飛秒激光的波長(zhǎng)為800nm、激光脈沖寬度為35fs、激光能量在1.0×1013—2.2×1015W/cm2范圍內(nèi)。采用高壓脈沖分子束和飛秒激光相結(jié)合的方法進(jìn)行研究，這與國(guó)際上普遍使用的連續(xù)流與飛秒脈沖相互作用的研究方法截然不同。為了克服聚焦光束強(qiáng)度平均效應(yīng)，提高飛行時(shí)間質(zhì)譜的分辨率，縮小了離子光學(xué)的入瞳孔徑，使得成像到MCP的離子空間遠(yuǎn)小于聚焦光束的瑞利范圍。同時(shí)，這樣也利于測(cè)量極化效應(yīng)。另外，實(shí)驗(yàn)成員自主研發(fā)了一種10Hz→1000Hz的分頻器裝置，實(shí)現(xiàn)了脈沖閥和飛秒激光器頻率的同步，該裝置經(jīng)過(guò)檢測(cè)靈敏度高，性能好。C4H4O分子在高純度He氣的載帶下由脈沖閥射出，進(jìn)入束源室后由skimmer形成準(zhǔn)直的超聲分子束，自由飛行進(jìn)入電離室。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中束源室與電離室背景氣壓均維持在1×10-6Pa。脈沖閥啟動(dòng)后，束源室氣壓維持在1×10-5Pa，電離室氣壓維持在1×10-4Pa。飛秒激光器輸出的光經(jīng)過(guò)1/2玻片、格蘭激光棱鏡，再經(jīng)過(guò)焦距為25cm的光學(xué)透鏡聚焦進(jìn)入電離區(qū)與氦氣載帶的樣品分子相互作用。產(chǎn)生的離子、高價(jià)離子和碎片離子，經(jīng)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)和加速電場(chǎng)，自由飛行100cm后由微通道板(MCP)探測(cè)。MCP的輸出信號(hào)直接輸入到數(shù)字示波器，由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集和存儲(chǔ)。通過(guò)調(diào)節(jié)格蘭激光棱鏡來(lái)改變激光的偏振方向，通過(guò)調(diào)節(jié)1/2波片來(lái)連續(xù)改變激光的能量。圓偏振光是在線偏振光的基礎(chǔ)上加一個(gè)1/4波片得到的。偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)的高壓V1=1470V,加速場(chǎng)的高壓V3=1150V，MCP負(fù)高V4=-1995V。對(duì)于每一種分子分別研究垂直線偏振、平行線偏振、圓偏振的質(zhì)譜和激光強(qiáng)度分辨。為提高信噪比，質(zhì)譜采集平均次數(shù)為2 000次。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

采用Keldysh絕熱因子γ[13]來(lái)判斷分子的電離方式。Keldysh絕熱參數(shù)用γ來(lái)表征：

其中，UP是分子的有質(zhì)動(dòng)力能(Ponderomotive Potential)，I為激光功率密度，λ為激光波長(zhǎng)，IP為分子的電離勢(shì)，E0是激光束的電場(chǎng)強(qiáng)度，與功率密度I有關(guān)：

式中 為真空介電常數(shù)，c為真空中的光速。所以，

C4H4O是一種以sp2雜化結(jié)構(gòu)彼此間連接構(gòu)成σ鍵的含氧五元雜環(huán)化合物[14]，電離勢(shì)為8.89eV。當(dāng) ，激光能量的范圍在1×1014—1.44×1015W/cm2之間時(shí)，依據(jù)公式(4)計(jì)算得到C4H4O分子的Keldysh絕熱因子γ介于0.23和0.51之間, 意味著C4H4O分子的強(qiáng)場(chǎng)電離以隧道電離為主。為了研究C4H4O分子的激光偏振度效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)上對(duì)激光的偏振方向進(jìn)行了標(biāo)定：激光方向與TOF軸平行時(shí)為平行線偏振光(Parallel)，與TOF軸垂直時(shí)為垂直線偏振光(perpendicular)。

圖1 C4H4O分子在平行線偏振光作用下，激光光強(qiáng)為 9.1×1014W/cm2時(shí)的飛行時(shí)間質(zhì)譜

圖2 C4H4O分子在平行線偏振下不同激光強(qiáng)度的飛行時(shí)間質(zhì)譜

圖1 為C4H4O分子在激光偏振方向?yàn)槠叫芯€偏振光作用下，激光能量為 9.1×1014W/cm2時(shí)的飛行時(shí)間質(zhì)譜圖。通過(guò)定標(biāo)，主要的質(zhì)譜峰可以歸屬為m/z=1(H+)、4(C3+)、6(C2+)、8(O2+)、12(C+)、13(CH+)、14(CH2+)、16(O+)、26(C2H2+)、29(CHO+)、34(C4H4O2+)、 37(C3H+)、 38(C3H2+)、39(C3H3+)、40(C3H4+)、42(C2H2O+)、67(C4H3O+)和68(C4H4O+)。

圖2所示是C4H4O分子在激光方向?yàn)槠叫芯€偏振光作用下，不同激光能量的質(zhì)譜圖。從圖2可以清楚地看到，質(zhì)荷比為39(C3H3+)的離子峰強(qiáng)度最強(qiáng)，依次是質(zhì)荷比為34(C4H4O2+)、質(zhì)荷比為29(CHO+)、42(C2H2O+)的離子峰。需要特別指出的是C3+、C2+、O2+、C+、CH+、O+、CHO+這些離子峰型都出現(xiàn)了明顯的峰分裂的現(xiàn)象。這是由于庫(kù)侖爆炸過(guò)程中產(chǎn)生的離子分別沿平行于TOF軸的兩個(gè)方向炸開(kāi)，造成它們到達(dá)MCP的時(shí)間不同，從而形成雙峰。除了這些碎片離子峰外，還可以在質(zhì)譜圖中觀察到質(zhì)荷比為67(C4H3O+)的離子峰。該碎片離子峰強(qiáng)度很低，意味著C4H4O分子電離得到C4H3O+的幾率很小。此外，質(zhì)譜中還發(fā)現(xiàn)了母體離子的二價(jià)離子C4H4O2+(m/z=34), 其峰值的大小隨激光能量的增加呈現(xiàn)出先增加后趨向于飽和的趨勢(shì)。隨著激光強(qiáng)度的增加，碎片離子越來(lái)越多，離子峰強(qiáng)度越來(lái)越強(qiáng)，但母體離子峰強(qiáng)度卻越來(lái)越弱。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因可能是：隨著激光強(qiáng)度的增大，隧道電離機(jī)制的作用越來(lái)越明顯，分子離子的解離幾率增大，從而使得母體離子峰強(qiáng)度下降，碎片化程度增加。

圖3 C4H4O分子在垂直線偏振下不同激光強(qiáng)度的飛行時(shí)間質(zhì)譜

圖4 C4H4O分子在圓偏振下不同激光強(qiáng)度的飛行時(shí)間質(zhì)譜

從圖2、圖3、圖4中可以清楚地看到，圓偏振情況下的質(zhì)譜峰的組成、碎片離子的形狀和強(qiáng)度都與線偏振情況下的基本一致。為了詳細(xì)研究C4H4O分子的激光偏振度效應(yīng)，采集了在激光強(qiáng)度為 9.1×1014W/cm2時(shí)，不同激光偏振方向作用下的C4H4O分子的飛行時(shí)間質(zhì)譜。

圖5 激光強(qiáng)度為9.1×1014W/cm2時(shí)C4H4O分子的飛行時(shí)間質(zhì)譜

圖5是C4H4O分子不同激光偏振方向作用下，激光強(qiáng)度為9.1×1014W/cm2時(shí)的質(zhì)譜圖。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，C4H4O分子在不同激光偏振方向作用下產(chǎn)生的離子碎片種類完全一致，離子碎片形成的質(zhì)譜峰大致相同，各質(zhì)譜峰的強(qiáng)度略有差異。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)：相同激光強(qiáng)度下，線偏振光產(chǎn)生的質(zhì)譜峰強(qiáng)度要比圓偏振光產(chǎn)生的強(qiáng)。這是因?yàn)樵趫A偏振光作用下，激光的電場(chǎng)方向是呈周期性變化的，從而造成了電離產(chǎn)生的離子沒(méi)有充分的時(shí)間躍遷過(guò)勢(shì)壘，導(dǎo)致C4H4O分子在激光方向?yàn)閳A偏振光時(shí)的電離幾率比在線偏振光下幾率小很多。

圖6 C4H4O分子在線偏振光和圓偏振光情況下C4H4O2+產(chǎn)額隨激光強(qiáng)度變化的依賴關(guān)系

圖6 為C4H4O分子在線偏振光和圓偏振光情況下C4H4O2+產(chǎn)額隨激光強(qiáng)度變化的依賴關(guān)系。從圖6可以看出，線偏振光和圓偏振光下C4H4O2+產(chǎn)額隨激光強(qiáng)度變化趨勢(shì)基本一致：都是隨激光光強(qiáng)的增加而逐漸增加，當(dāng)激光光強(qiáng)增加到一定程度時(shí)(大致為9.1×1014W/cm2)，C4H4O2+產(chǎn)額逐漸趨向于飽和，這與課題組從質(zhì)譜圖上得到的結(jié)論完全相符。

3 結(jié)論

本工作主要利用800nm飛秒激光系統(tǒng)、脈沖超聲分子束與飛行時(shí)間質(zhì)譜儀等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對(duì)呋喃(Furan，C4H4O)在800nm飛秒激光作用下產(chǎn)生的強(qiáng)激光場(chǎng)中的光電離進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)分析C4H4O分子在飛秒強(qiáng)激光場(chǎng)中的飛行時(shí)間質(zhì)譜和碎片離子產(chǎn)額，得到了離子產(chǎn)額隨激光強(qiáng)度和激光偏振度效應(yīng)變化的依賴關(guān)系，并結(jié)合強(qiáng)激光場(chǎng)理論對(duì)C4H4O分子的電離解離機(jī)制進(jìn)行討論，取得了很好的研究成果，并發(fā)現(xiàn)了一些新的現(xiàn)象，使研究者進(jìn)一步了解了強(qiáng)場(chǎng)作用下的電離解離規(guī)律及其在物理、化學(xué)等研究領(lǐng)域中所起的重要作用，為今后對(duì)多原子分子復(fù)雜體系的系統(tǒng)研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，具有很好的參考價(jià)值。