曾平 宋盼2)? 王小偉 趙晶 張棟文 袁建民3) 趙增秀?

1) (國防科技大學理學院,湖南省極端條件物理及應用重點實驗室,長沙 410073)

2) (河南師范大學物理學院,河南省紅外材料光譜測量與應用重點實驗,新鄉(xiāng) 453007)

3) (中國工程物理研究院研究生院,北京 100193)

開展了強飛秒激光場誘導的二氧化碳二聚體離子的三體庫侖爆炸過程的實驗研究.利用冷靶反沖離子動量成像譜儀測量了關聯(lián)的碎片離子的三維動量矢量和動能.結果表明離子通過序列解離通道和非序列解離通道分解為離子.在序列解離過程中,弱范德瓦耳斯鍵先斷裂,然后是強的共價鍵C=O 斷裂;而在非序列解離過程中,3 個碎片離子在一次動力學事件內幾乎同時產(chǎn)生.通過對比兩個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侖爆炸中占主導作用.發(fā)現(xiàn)這種同時包含范德瓦耳斯鍵和共價鍵的二聚體或團簇在多體庫侖爆炸過程中相比單體和僅有范德瓦耳斯鍵的團簇具有特殊的動力學性質,兩種化學鍵在強場動力學過程中扮演不同的角色.

1 引言

二聚體和團簇是原子分子通過弱的范德瓦耳斯鍵(van der Waals,vdW)結合在一起形成的.通過研究二聚體和團簇的物理和化學性質,可以填補對單體原子分子行為和凝聚態(tài)物質之間的認知空白.氣體分子形成的二聚體通常有著更長的核間距,這導致了電子局域于兩個分子附近,二聚體兩個單體之間的分子軌道幾乎不重合.二聚體物質在強激光場作用下會表現(xiàn)出與單體原子分子不同的電離解離方式,有著更為豐富的強場動力學現(xiàn)象,使得二聚體成為研究電荷共振增強電離[1,2]、原子間的庫侖衰變[3,4]、分子間的庫侖衰變[5,6]、輻射電荷轉移[7,8]等分子動力學過程的理想候選者.

目前,二聚體和團簇在強激光場中的電離和碎片解離動力學得到了廣泛的研究[9-15].由于氣體分子組成的二聚體是強共價鍵和弱vdW 鍵共存的復合體,不同性質的化學鍵相對激光場的取向影響強場電離以及多電離中電子釋放的順序,進而影響二聚體的多體解離動力學過程.二氧化碳二聚體具有平行滑動結構[16-18],它在強激光中表現(xiàn)出豐富的動力學現(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發(fā)生分子間庫侖衰變的實驗證據(jù).最近的研究表明,(CO2)2的電離和解離過程強烈地依賴于激光強度,在低光強下弱vdW 鍵在強場電離中起著重要作用[20].

近年來,由于激光技術和符合測量技術的進步,對高價分子離子多體庫侖爆炸過程產(chǎn)生的碎片離子的符合測量成為可能.在強激光場下,激光與二聚體的相互作用是極其復雜的,由于庫侖排斥力的作用,光誘導的高電荷分子離子通常是不穩(wěn)定的并快速解體而發(fā)生庫侖爆炸.產(chǎn)生3 個碎片離子的庫侖爆炸過程可通過序列或非序列的方式發(fā)生[21-23],在序列解離過程中,碎片離子是分步產(chǎn)生的,其時間間隔長于中間體的旋轉周期,而非序列解離過程所有碎片離子都是在一次動力學事件中產(chǎn)生的.通過多體符合測量技術直接測定相關碎片離子的內部量子態(tài)和三維動量分布,可精確地識別和篩選序列解離通道和非序列解離通道.2016 年,Fan 等[24]對離子的三體庫侖爆炸通道進行了研究,結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,再是強共價鍵斷裂.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,它們與離子分解為 CO+離子和O+離子的動力學過程中的亞穩(wěn)態(tài)解離和瞬時解離相一致.

本文在實驗上探究了二氧化碳二聚體在強飛秒激光場中發(fā)生了四電離之后的解離動力學過程,利用多體符合測量技術收集了解離通道產(chǎn)生的所有離子碎片的三維動量和動能.結果表明,在強激光場的作用下離子的三體庫侖爆炸通過序列和非序列兩種通道發(fā)生,并且序列解離通道占主導作用.

2 實驗條件

本文的實驗是基于自建的冷靶反沖離子動量成像譜儀系統(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30 μm 的噴嘴進入真空腔體超音速膨脹時產(chǎn)生.通過摻鈦藍寶石激光脈沖放大系統(tǒng)輸出中心波長790 nm,脈沖持續(xù)時間25 fs,重復頻率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,實驗過程使用的激光峰值光強為 8×1014W/cm2.此次實驗只采集了離子數(shù)據(jù),激光脈沖從 (CO2)2分子上電離掉4 個電子,產(chǎn)生的離子在60 V/cm 的勻強電場的約束和引導下到達位于探測腔底部的延遲線位置靈敏探測器(MCP).通過探測器獲得所有離子碎片的飛行時間和位置信息,從而重構它們的三維動量.

3 結果與討論

圖1 給出了強飛秒激光場誘導的二氧化碳超音速分子束產(chǎn)生的3 個碎片離子的飛行時間關聯(lián)圖,峰值光強為8 × 1014W/cm2,它是探測器同一次事件內探測到的第1 個離子與第3 個離子的飛行時間之和對第2 個離子的飛行時間的函數(shù),稱為光離子-光離子-光離子符合譜.其中沿反對角線方向的亮線表示不同的三體庫侖爆炸通道,而平行或垂直坐標軸的亮線是誤符合的結果.COLTRIMS系統(tǒng)的優(yōu)點之一是在一次實驗中可以記錄所有反應通道的數(shù)據(jù),在離線分析中,來自不同反應通道的數(shù)據(jù)可通過對實驗數(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為 8×1014 W/cm2 的強飛秒激光場作用下產(chǎn)生的3 個碎片離子的關聯(lián)圖.其中橫軸是第2 個離子的飛行時間,縱軸是第1 個和第3 個離子的飛行時間之和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 三體庫侖爆炸產(chǎn)生的 CO+ 和 O+ 離子的動能關聯(lián)圖.將數(shù)據(jù)分為兩部分以作為通道篩選的條件,其中紅色梯形內的數(shù)據(jù)記為通道Ⅰ,此部分數(shù)據(jù)對應序列解離;紅色圓圈內的數(shù)據(jù)記為通道Ⅱ,此部分數(shù)據(jù)對應非序列解離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 兩種三體庫侖爆炸通道對應的牛頓圖 (a)通道Ⅰ對應于序列解離;(b)通道Ⅱ對應于非序列解離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.

這兩種解離機制也可以從庫侖爆炸釋放的能量中進一步區(qū)分開來.圖4 給出了三體庫侖爆炸通道兩種解離機制釋放的總動能譜(kinetic energy release,KER).COLTRIMS 系統(tǒng)可以測量每個解離通道產(chǎn)生的所有碎片離子的三維動量,進而可以獲得每個碎片離子的動能,在特定的解離通道中,所有產(chǎn)物(碎片離子)的動能之和是這個解離過程釋放的總動能.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,兩個解離通道對應的能量釋放有明顯的差異.為了說明離子兩種不同的三體庫侖爆炸過程,選取離子的兩體爆炸通道單體的破裂通道作為參考,這兩個通道的KER 譜如圖4 中的棕色方形線(峰值為14.8 eV)和藍色圓圈線(峰值為5.4 eV).可以看到解離通道Ⅰ釋放的能量等于兩個參考通道釋放的能量之和,這是由于序列解離過程中的兩步解離是相對獨立的,兩步解離釋放的能量按照動量守恒最終分配給序列解離過程產(chǎn)生的3 個碎片離子.

圖4 離子三體庫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)釋放的動能譜,以及參考通道 (棕色方形線)和 (藍色圓圈線)的動能譜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 結論