張 科 李蘭蘭 張春早

(淮南師范學院 電子工程學院，安徽 淮南 232038)

隨著激光技術的快速發(fā)展，激光的光場進入了強激光場領域，利用強激光場來研究原子、分子的反應動力學特性，得到研究人員的廣泛關注。相較于弱激光場，原子、分子與強激光場相互作用的動力學特性會呈現(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解離等。到目前為止，國內外對于原子和分子在強場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在強場中的多光子吸收電離解離過程[1]。自此以后，各國科學家如Fittinghoif和Walker等圍繞He、Ne、Ar等原子陸續(xù)開展了實驗和理論探索[2]。隨后，Guo chunlei和Gibson等人采用30fs超短超強脈沖激光，在1013—1015W/cm2強度范圍內，基于準確的離子產額測量、高時間分辨離子飛行時間質譜、離子-離子關聯(lián)技術，詳細地研究了N2、O2、CO、NO和CO2等小分子的強場光電離和解離[3]。目前，強場光電離和解離逐漸向多原子分子延伸[4]，同時出現(xiàn)了基于自由電子激光的多重光電離研究[5]。Kosmidis和Nobuaki Nakashima等利用飛秒激光對環(huán)酮類、六元環(huán)結構和芳香族有機化合物進行了大量的實驗工作[6]。Vijayalakshmi實驗小組研究了不同激光波長作用下 NO2分子電離情況[7]。Poth等人利用飛秒激光對CH3I團簇分子進行了深入研究，獲得了碘離子[8]。Zewail等人對環(huán)酮類(環(huán)丁酮、環(huán)戊酮、環(huán)己酮和環(huán)癸酮)的電離解離過程開展了實驗研究工作[9]。Wu研究小組研究了環(huán)戊酮和環(huán)己酮分子在強激光場的動力學行為[10]。Sharifi S M和Kjeldsen T K及Talebpour A等實驗研究小組都在強激光場作用下對苯進行了實驗研究，得到了不同激光強度下苯的飛行時間質譜和光強依賴關系，并對產生母體離子和碎片離子進行分析和討論[11]。關于原子、分子在強場作用下的研究工作已有大量報道，但關于在飛秒強激光作用下，激光偏振度效應對多原子分子的電離解離機制影響的研究則很少。尤其是關于像呋喃、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報道。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間質譜儀等實驗技術，對呋喃(Furan，C4H4O)在800nm飛秒激光作用下產生的強激光場中的光電離進行實驗研究。通過分析C4H4O分子在飛秒強激光場中的飛行時間質譜和碎片離子產額，得到了C4H4O分子的碎片離子產額隨激光強度和激光偏振度效應變化的依賴關系，并結合強激光場理論對C4H4O分子的電離解離機制進行討論。

1 實驗過程

本實驗所采用的系統(tǒng)有真空腔體系統(tǒng)、激光系統(tǒng)、時序控制器系統(tǒng)、分子束系統(tǒng)和信號探測和收集系統(tǒng)[12]。

實驗上飛秒激光的波長為800nm、激光脈沖寬度為35fs、激光能量在1.0×1013—2.2×1015W/cm2范圍內。采用高壓脈沖分子束和飛秒激光相結合的方法進行研究，這與國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度平均效應，提高飛行時間質譜的分辨率，縮小了離子光學的入瞳孔徑，使得成像到MCP的離子空間遠小于聚焦光束的瑞利范圍。同時，這樣也利于測量極化效應。另外，實驗成員自主研發(fā)了一種10Hz→1000Hz的分頻器裝置，實現(xiàn)了脈沖閥和飛秒激光器頻率的同步，該裝置經過檢測靈敏度高，性能好。C4H4O分子在高純度He氣的載帶下由脈沖閥射出，進入束源室后由skimmer形成準直的超聲分子束，自由飛行進入電離室。實驗過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過1/2玻片、格蘭激光棱鏡，再經過焦距為25cm的光學透鏡聚焦進入電離區(qū)與氦氣載帶的樣品分子相互作用。產生的離子、高價離子和碎片離子，經偏轉電場和加速電場，自由飛行100cm后由微通道板(MCP)探測。MCP的輸出信號直接輸入到數(shù)字示波器，由計算機實現(xiàn)對信號的采集和存儲。通過調節(jié)格蘭激光棱鏡來改變激光的偏振方向，通過調節(jié)1/2波片來連續(xù)改變激光的能量。圓偏振光是在線偏振光的基礎上加一個1/4波片得到的。偏轉電場的高壓V1=1470V,加速場的高壓V3=1150V，MCP負高V4=-1995V。對于每一種分子分別研究垂直線偏振、平行線偏振、圓偏振的質譜和激光強度分辨。為提高信噪比，質譜采集平均次數(shù)為2 000次。

2 實驗結果和討論

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

其中，UP是分子的有質動力能(Ponderomotive Potential)，I為激光功率密度，λ為激光波長，IP為分子的電離勢，E0是激光束的電場強度，與功率密度I有關：

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雜化結構彼此間連接構成σ鍵的含氧五元雜環(huán)化合物[14]，電離勢為8.89eV。當 ，激光能量的范圍在1×1014—1.44×1015W/cm2之間時，依據(jù)公式(4)計算得到C4H4O分子的Keldysh絕熱因子γ介于0.23和0.51之間, 意味著C4H4O分子的強場電離以隧道電離為主。為了研究C4H4O分子的激光偏振度效應，實驗上對激光的偏振方向進行了標定：激光方向與TOF軸平行時為平行線偏振光(Parallel)，與TOF軸垂直時為垂直線偏振光(perpendicular)。

圖1 C4H4O分子在平行線偏振光作用下，激光光強為 9.1×1014W/cm2時的飛行時間質譜

圖2 C4H4O分子在平行線偏振下不同激光強度的飛行時間質譜

圖1 為C4H4O分子在激光偏振方向為平行線偏振光作用下，激光能量為 9.1×1014W/cm2時的飛行時間質譜圖。通過定標，主要的質譜峰可以歸屬為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分子在激光方向為平行線偏振光作用下，不同激光能量的質譜圖。從圖2可以清楚地看到，質荷比為39(C3H3+)的離子峰強度最強，依次是質荷比為34(C4H4O2+)、質荷比為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。這是由于庫侖爆炸過程中產生的離子分別沿平行于TOF軸的兩個方向炸開，造成它們到達MCP的時間不同，從而形成雙峰。除了這些碎片離子峰外，還可以在質譜圖中觀察到質荷比為67(C4H3O+)的離子峰。該碎片離子峰強度很低，意味著C4H4O分子電離得到C4H3O+的幾率很小。此外，質譜中還發(fā)現(xiàn)了母體離子的二價離子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。隨著激光強度的增加，碎片離子越來越多，離子峰強度越來越強，但母體離子峰強度卻越來越弱。導致這一現(xiàn)象的原因可能是：隨著激光強度的增大，隧道電離機制的作用越來越明顯，分子離子的解離幾率增大，從而使得母體離子峰強度下降，碎片化程度增加。

圖3 C4H4O分子在垂直線偏振下不同激光強度的飛行時間質譜

圖4 C4H4O分子在圓偏振下不同激光強度的飛行時間質譜

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

圖5 激光強度為9.1×1014W/cm2時C4H4O分子的飛行時間質譜

圖5是C4H4O分子不同激光偏振方向作用下，激光強度為9.1×1014W/cm2時的質譜圖。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生的離子碎片種類完全一致，離子碎片形成的質譜峰大致相同，各質譜峰的強度略有差異。同時還可以發(fā)現(xiàn)：相同激光強度下，線偏振光產生的質譜峰強度要比圓偏振光產生的強。這是因為在圓偏振光作用下，激光的電場方向是呈周期性變化的，從而造成了電離產生的離子沒有充分的時間躍遷過勢壘，導致C4H4O分子在激光方向為圓偏振光時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+產額隨激光強度變化的依賴關系

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

3 結論

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間質譜儀等實驗技術，對呋喃(Furan，C4H4O)在800nm飛秒激光作用下產生的強激光場中的光電離進行了實驗研究。通過分析C4H4O分子在飛秒強激光場中的飛行時間質譜和碎片離子產額，得到了離子產額隨激光強度和激光偏振度效應變化的依賴關系，并結合強激光場理論對C4H4O分子的電離解離機制進行討論，取得了很好的研究成果，并發(fā)現(xiàn)了一些新的現(xiàn)象，使研究者進一步了解了強場作用下的電離解離規(guī)律及其在物理、化學等研究領域中所起的重要作用，為今后對多原子分子復雜體系的系統(tǒng)研究奠定了堅實基礎，具有很好的參考價值。