丁酮激光位相相干控制研究

杨 雪

(吉林化工学院理学院，吉林吉林132013)

在化学反应中会有多个化学反应通道，生成不同的产物．通过化学方法可以人为控制反应通道来获得所需要的化学产物．目前较为普遍的改变化学反应路径的光化学方法是利用激光相位性质的方法，主要有两种．第一种方法是时间域方法，该方法由 Tannor和 Rice［1］提出，用于超短激光脉冲所产生的波包运动．这种方法可以获取沿分子反应路径的势能面很有价值的信息，但想从所得到的优化光场中得到分子内部的信息目前还很困难．第二种方法是由 Brumer和 Shapiro［2］提出来的相干控制方法，是在频域上进行控制，利用两束连续的长激光脉冲激发原子或分子使其从基态激发到终态．通过改变这两束光的相位关系进而改变化学反应的分支比［3-5］．

丁酮的分子式为C4H8O，具有CS对称性，是一种重要的有机溶剂，在工业、医药等方面有着广泛的用途．本文利用相干控制方法，实验上以飞行时间质谱为手段，研究了丁酮分子的光电离和解离反应过程．

1 实验方法

本实验装置主要由五部分组成，分别为激光器、飞行时间质谱仪、配气系统、相干控制系统和数据采集系统，与之前所做的实验［6］类似．丁酮的纯度为99．8%，是从北京化工厂购置的商品试剂．实验前系统要抽真空，实验中使用的倍频气体为Xe，其纯度高达99．995%，位相调制气体为Ar，其纯度为 99．99%，所用的激光波长为355 nm，能量为840 J/脉冲，通过 EMP2000激光功率计测量．

实验中使用Nd:YAG晶体激光器，输出光的波长为 1 064 nm，而 355 nm激光是由 KDP(KH2PO4)晶体经过3倍频后产生的，部分355 nm激光与其倍频后所产生的118 nm激光共束，该光束通过调制腔的反射镜反射到反应室，并与分子束垂直交叉，由此产生的加速离子信号通过飞行时间质谱仪接收．其输出信号经放大和甄别送入BOXCAR进行积分后数据传送到数据采集系统．通过改变两光源的位相差，即通过调节Ar气体压强来控制末态产物．

2 结果与讨论

没有加载气只有355 nm光存在时的质谱如图1(a)所示，118 nm光存在时丁酮的质谱如图1(b)所示．

Majumder等人曾对丁酮在多种波长的激光场作用下的多光子电离解离过程进行过分析研究［7-9］，结合本实验得到的质谱图见图1，丁酮分子在355 nm和118 nm共同作用的激光场中可能存在以下两种电离解离过程:

图1 (a)仅有355 nm光存在时丁酮的质谱图;(b)355 nm和118 nm光共同作用时丁酮的质谱图

过程2:同时部分母体离子直接解离，其解离碎片继续吸收355 nm光子电离:

(4)式的电离阈为9．84 eV，可通过吸收3个ω1或吸收一个ω3电离．

图2是通过函数y0+kx+Asin(fx+phi)分别对和CH3CO+的离子信号随调制气体压强的变化曲线进行拟合后得到的．很明显该变化曲线为正弦曲线，调制周期为Δp≈246．4±14Pa．将最大和最小的离子信号值分别带入调制深度中得到

CH3CO+的调制深度

图2 CH3 CO+和离子信号随Ar气压强的变化曲线

当改变355 nm和118 nm激光的位相差时，丁酮分子的光电离解离产物的产量随之变化，因此得到了碎片离子CH3CO+和的调制深度，即实现了对它们的调制．达到了对丁酮分子反应通道分支比的相干控制的目的．其中信号的获得主要来自反应通道(4)，是一个三光子过程．和CH3CO+的调制深度分别为22．74%和39．52%，在图1中看到在没有118 nm光存在时的信号较弱而CH3CO+的信号较强，另外，从图2可知碎片离子CH3CO+比C的调制深度大，因此可以推测在母体离子的解离过程中反应过程1起主要作用．

3 结 论

通过量子相干控制理论，利用飞行时间质谱技术，对丁酮的电离解离过程进行控制，得到了丁酮在两种波长的激光作用下的质谱图以及两个碎片(CH+3和CH3CO+)的离子信号随位相调制气体Ar压强变化的正弦曲线．提出了激光作用下丁酮分子的电离解离反应机制，并初步实现了对丁酮分子体系的位相相干控制．

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［3］ 王国文．一维无限深方势阱中粒子动量概率分布引出的问题［J］．光子学报，1998，27:673-678．

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