飞秒激光场中OCS分子的里德堡态激发

吕 航，张世文，王 瑞，孙 添，刘 洋，徐海峰

（吉林大学原子与分子物理研究所，长春 130012）

1 引言

原子分子在飞秒强激光场下电离产生的自由电子，在激光场的驱动下可返回到原子核附近与之发生碰撞［1］，产生许多新奇的物理现象，例如高阶阈上电离［2］，非序列双电离［3］，高次谐波发射［4］等.近年来有研究表明，一部分自由电子在激光结束后最终没能逃离原子核的束缚，而被俘获到高里德堡态上，产生中性里德堡态原子［5］.这一现象被称为里德堡态激发.根据所选择的激光强度和波长的不同，其内在的物理机制可以理解为多光子共振或受挫的隧穿电离［6］.最新的量子轨道模型表明，里德堡态激发是强场光电离产生的低能光电子被相干俘获而形成的［7］.在过去的几年里，这一现象受到了实验和理论上的广泛关注，研究发现，里德堡态激发与中性粒子加速［8］、阈值下的高次谐波［9］以及低能光电子结构［10］等现象都有密切关系.除原子体系外，双原子分子在飞秒激光场下也存在里德堡态激发现象，且与分子轨道结构密切相关［11］.

对于分子来说，额外的原子核自由度以及分子的结构使得里德堡态激发现象变得更为复杂.除分子母体的里德堡态激发，解离或库仑爆炸产生的碎片离子亦可俘获低能光电子从而形成中性里德堡态碎片.这一现象已经在各种分子体系中被观测到，例如H2［12］，D2［13］，O2［14］，N2［15］，，CO［16］以及二聚体等团簇结构［18］.然而，到现在为止，还没有三原子分子母体里德堡态激发现象的实验研究被报道.

OCS分子是一个典型的非对称三原子分子，其强场解离/库仑爆炸通道以及离子的角分布等已有大量的文献见诸报道［18］.最近，OCS 分子在不同波长下的非序列双电离动力学机制的转变也被研究［21］.然而，目前对于OCS分子强场的里德堡态激发过程尚没有研究.本文中，我们研究了OCS分子在800 nm飞秒激光场下的里德堡态激发过程，通过测量不同中性里德堡态母体分子及其碎片对激光参数的依赖关系，并将之与直接电离解离产生的离子相比较，研究了中性碎片形成的物理机制.研究表明，OCS 分子在强激光场中可以产生中性高里德堡态母体分子和多种碎片，且里德堡态碎片（S*，OC*，C*和O*）分别与C原子的一价，二价和三价离子具有相同的出现光强，其产率对激光椭偏率的依赖也十分相似，表明中性里德堡态碎片的产生与分子的强场多次电离密切相关.此外，本文还讨论了中性碎片产率对激光椭偏率强烈依赖的内在原因.

2 实验部分

实验详细过程参见我们之前的研究工作［11，22，23］，这里仅做简单介绍.溢流分子束通过喷嘴进入反应室与聚焦后的飞秒激光垂直相互作用，产生的离子被飞行时间质谱检测.我们采用脉冲电场场致电离的方法结合飞行时间质谱测量飞秒激光场下的中性里德堡态激发，直接电离所产生的各种离子在反向电场的作用下飞离探测器，而处于高里德堡态的中性母体分子及碎片在一定的延迟时间后，在正向脉冲电场的作用下被场致电离，形成的离子沿此正向电场飞向探测器被收集.

实验中飞秒激光是由钛宝石激光器产生的，其脉宽为50 fs，中心波长在800 nm，单脉冲最大能量为4 mJ，重复频率为1 KHz.使用零级半波片和格兰棱镜来改变激光的强度，通过旋转零级四分之一波片来改变激光的椭偏率.最终，激光通过焦距为25 cm的平凸透镜聚焦进入反应区.聚焦后的激光峰值强度通过对比实验测量的Xe原子强场电离的饱和光强与和ADK理论［24］结果来校正.

3 结果与讨论

我们研究了OCS分子在1 ×1013W/cm2～3 ×1014W/cm2光强范围内，不同偏振状态下的里德堡态激发现象，并将之与直接电离解离产生的离子相比较，从而分析中性碎片产生的物理机制.

在图1（a）中给出了OCS 分子在3 ×1014W/cm2的光强下直接电离解离的飞行时间质谱.从图中可以看出，OCS 分子出现了大量的电离解离碎片，其中原子的高价碎片离子占主要地位，例如，C2+和O3+原子离子的产率远大于母体离子.从图中可以看出，高价原子离子碎片的质谱峰劈裂为双峰，这是库仑爆炸的特征现象之一，说明在此光强下，OCS 分子发生多次电离，库仑爆炸为原子离子的主要产生通道.

图1 OCS分子直接电离解离（a）以及里德堡态场致电离（b）的飞行时间质谱.为了便于分析，我们分别以质谱中最大信号为标准进行归一化.Fig.1 Time-of-flight mass spectrum of OCS for（a）direct ionization and（b）pulse-field ionization of high -lying neutral Rydbergs in strong laser fields.

图1（b）中给出了OCS 分子在同样光强下产生的中性高里德堡态场致电离的飞行时间质谱.从图中可以明显看到母体中性里德堡态OCS*的信号，这是首次在实验上观测到了三原子分子的强场里德堡态激发现象.除了中性母体以外，我们还测量到了中性原子碎片C*，O*，S*以及中性分子碎片OC*.如前所述，中性碎片主要来源于解离/库仑爆炸通道产生的离子俘获低能光电子产生的，这些中性碎片都具有一定的平动能，因此图1（b）内中性碎片的质谱峰较宽.而相应的中性母体里德堡态，由于其携带的平动能较小，因此对应的质谱峰的宽度很窄.

进一步我们测量了中性里德堡态的产率随激光光强的变化，如图2 所示.对应的直接电离的离子产率也在图中给出.从图2（a）中可以看出，OCS分子的电离产率随光强增加而增加，在1 ×1014W/cm2左右达到饱和.图中碎片离子出现的光强为在3 ×1013W/cm2，表明解离性电离通道开启，当光强进一步增强，库仑爆炸成为碎片离子产生的主要通道.从图2（b）中可以看出，随着光强的增加，中性母体激发态OCS*的产率明显低于中性原子里德堡态碎片S*.这与直接电离的结果不同，在整个光强范围内，直接电离的母体离子OCS+的产率都远大于碎片S+.因此实验上观测到OCS*的产率小于S*表明里德堡态激发的几率不仅取决于离子的产量，还应该考虑离子对光电子的束缚能力等其他因素.通过对比中性碎片S*和S+离子的光强依赖，发现他们具有完全相同的变化趋势，如图2（a）中插图所示，产率比值S*/S+不随光强的变化而变化，表明中性激发态碎片S*应该由解离/库仑爆炸产生的S+俘获光电子而形成的.类似地，我们认为，OC*亦来自于OCS+hν——OCm++Sn+（m=1 或n=1）解离产生的离子俘获电子过程.最近关于CO分子的强场里德堡态激发研究表明［17］，C+比O+更容易俘获低能光电子从而形成中性里德堡态碎片，其原因为当激光电场方向由与C—O分子轴方向同向时，CO分子具有更高的电离几率，且此时的低能光电子具有反向的动能，更容易被反向发射的C+离子俘获.类似的机制可以解释S*产率高于OC*产率，即当S—CO分子轴与激光电场同向时，OCS分子更容易被电离，因此，反向发射的S+更容易俘获低能光电子从而形成中性里德堡态碎片［25］.

中性激发态碎片C*和O*具有完全相同的光强依赖，如图2（b）所示，说明其产生可能来源于同一通道.中性激发态碎片C*与直接电离解离产生的C+的产率比值不随激光强度的变化而变化，如图2（a）插图所示.这说明C*亦是解离/库仑爆炸产生的C+俘获低能光电子而形成的.

图2 直接电离解离的离子（a）和中性里德堡态（b）的产率随激光光强的变化关系.其中（a）中插图为中性碎片与相应离子S*/S +和C*/C+产率的比值随光强的变化关系.Fig.2 Dependence of the yield of（a）direct ionization and（b）NeutralRydbergs on the laser intensity.The inset in（a）shows the results for the ratio of S*/S+and C*/C+.

我们进一步测量了中性激发态母体分子及其碎片的产率随激光椭偏率的变化关系，结果在图3中给出.从图中可以看出，里德堡态激发的产率强烈依赖于激光椭偏率，在线偏光处产率最大，而随着椭偏率的增加，激发产率随之快速减小.这与之前原子体系强场激发的研究结果是一致的［5，26］.半经典的理论计算结果表明［22］，随着激光椭偏率的增加，光电子在激光场中受到额外方向上的加速，低能光电子的产率也随之降低，因此，俘获低能电子产生里德堡态的几率亦随之减小.从图3 中我们还发现，不同中性碎片产率随激光椭偏率变化的程度不相同，圆偏光下S*的产率约为线偏光的6%，O*和C*的产率约为10%，而OC*的圆偏光与线偏光的比值为30%，说明其对激光椭偏率的依赖最弱.

图3 中性里德堡态分子和碎片的产率在激光光强8×1013 W/cm2下随椭偏率的变化关系.Fig.3 Dependence of the yield of RSEon laserellipticity at the laser intensity of 8×1013 W/cm2.

根据以上讨论，OCS 分子与飞秒激光场相互作用，形成的离子可以俘获低能光电子，从而形成中性里德堡态分子及原子碎片.我们注意到，在很低的光强3 ×1013W/cm2时就OCS 分子解离性电离即可以产生大量的一价离子碎片S+、O+、C+和CO+等，而对应的中性里德堡态碎片，S*、O*、C*和CO*则在更高的光强下才出现（图2）.这些中性激发态中，S*的出现光强最低，为4 ×1013W/cm2，与C+离子的出现光强接近，而CO*和C*（或O*）的出现光强高达8 ×1013W/cm2和1×1014W/cm2，分别与C2+离子和C3+离子的出现光强相近.这说明中性里德堡态碎片（S*、O*、C*和CO*）更可能来自于OCS 分子多次电离后库仑爆炸（而不是解离性电离）产生的碎片离子（S+、O+、C+和CO+）俘获低能电子产生的.

为了深入研究中性激发碎片的产生机制，我们比较了不同中性碎片在出现光强下的激光椭偏率依赖，及其与相应光强下的C+，C2+和C3+离子的结果，如图4 所示.我们发现，S*与C+，CO*与C2+以及C*（或O*）与C3+对激光椭偏率有非常相似的依赖关系.由于C原子为OCS的中心原子，如果考虑三体库仑爆炸，一价、二价和三价C原子离子产生的最低价母体分别为OCS3+、OCS4+和OCS5+.因此，图4 的结果进一步表明强激光场中中性激发态碎片的出现与分子多次电离是密切关联的.

事实上，最新的实验研究表明，分子双电离中的第二个光电子更容易被离子俘获形成中性里德堡态［27］.而对于强场中分子的中性里德堡态激发与多次电离及库仑爆炸的关系，仍有待深入的研究.我们的结果表明，在库仑爆炸过程中，通过俘获电子，是碎片中性激发态产生的一种可能机制.对于分子的强场多次电离，隧穿电子的重散射过程有十分重要的贡献，而重散射过程是强烈依赖于激光偏振的［27］，这也可能是导致强场中性里德堡态碎片的产率对激光椭偏率有强烈依赖关系的原因.

图4 （a）S*和C+（b）OC*和C2+以及（c）O*，C*和C3+的产率随激光椭偏率的变化.其中光强分别为4 ×1013 W/cm2（a），8 ×1013 W/cm2（b）和1 ×1014 W/cm2（c），是图中离子和中性碎片的出现光强.Fig.4 Dependence of the yield on laser ellipticity for（a）S* and C+，（b）OC* and C2+，（c）O*，C* and C3+.The laser intensity is at 4 ×1013 W/cm2，8 ×1013 W/cm2 and 1×1014 W/cm2 respectively，corresponding to the appearing intensity of each ions.

4 结论

本文使用脉冲电场场致电离的方法研究了三原子分子OCS在飞秒激光场下的里德堡态激发现象.研究发现，S*与C+离子，OC*与C2+离子，C*和O*与C3+离子分别具有相同的出现光强，且在此光强下中性碎片与相应的C原子离子具有相同的椭偏率依赖.分析表明，中性里德堡态碎片的产生与分子强场多次电离密切相关，且中性碎片的激光偏振依赖来自在圆偏光下分子多次电离的产率的抑制.