强四飞价秒离激子光的场多下体二解氧离化动碳力二学聚*体

曾平 宋盼2)† 王小伟 赵晶 张栋文 袁建民3) 赵增秀‡

1) (国防科技大学理学院,湖南省极端条件物理及应用重点实验室,长沙 410073)

2) (河南师范大学物理学院,河南省红外材料光谱测量与应用重点实验,新乡 453007)

3) (中国工程物理研究院研究生院,北京 100193)

开展了强飞秒激光场诱导的二氧化碳二聚体离子的三体库仑爆炸过程的实验研究.利用冷靶反冲离子动量成像谱仪测量了关联的碎片离子的三维动量矢量和动能.结果表明离子通过序列解离通道和非序列解离通道分解为离子.在序列解离过程中,弱范德瓦耳斯键先断裂,然后是强的共价键C=O 断裂;而在非序列解离过程中,3 个碎片离子在一次动力学事件内几乎同时产生.通过对比两个解离通道的事件比率,表明序列的解离通道在离子的三体库仑爆炸中占主导作用.发现这种同时包含范德瓦耳斯键和共价键的二聚体或团簇在多体库仑爆炸过程中相比单体和仅有范德瓦耳斯键的团簇具有特殊的动力学性质,两种化学键在强场动力学过程中扮演不同的角色.

1 引言

二聚体和团簇是原子分子通过弱的范德瓦耳斯键(van der Waals,vdW)结合在一起形成的.通过研究二聚体和团簇的物理和化学性质,可以填补对单体原子分子行为和凝聚态物质之间的认知空白.气体分子形成的二聚体通常有着更长的核间距,这导致了电子局域于两个分子附近,二聚体两个单体之间的分子轨道几乎不重合.二聚体物质在强激光场作用下会表现出与单体原子分子不同的电离解离方式,有着更为丰富的强场动力学现象,使得二聚体成为研究电荷共振增强电离[1,2]、原子间的库仑衰变[3,4]、分子间的库仑衰变[5,6]、辐射电荷转移[7,8]等分子动力学过程的理想候选者.

目前,二聚体和团簇在强激光场中的电离和碎片解离动力学得到了广泛的研究[9-15].由于气体分子组成的二聚体是强共价键和弱vdW 键共存的复合体,不同性质的化学键相对激光场的取向影响强场电离以及多电离中电子释放的顺序,进而影响二聚体的多体解离动力学过程.二氧化碳二聚体具有平行滑动结构[16-18],它在强激光中表现出丰富的动力学现象.2019 年Iskandar 等[19]采用单光子吸收电离的方式,发现了二氧化碳二聚体在单体的双电离阈值时发生分子间库仑衰变的实验证据.最近的研究表明,(CO2)2的电离和解离过程强烈地依赖于激光强度,在低光强下弱vdW 键在强场电离中起着重要作用[20].

近年来,由于激光技术和符合测量技术的进步,对高价分子离子多体库仑爆炸过程产生的碎片离子的符合测量成为可能.在强激光场下,激光与二聚体的相互作用是极其复杂的,由于库仑排斥力的作用,光诱导的高电荷分子离子通常是不稳定的并快速解体而发生库仑爆炸.产生3 个碎片离子的库仑爆炸过程可通过序列或非序列的方式发生[21-23],在序列解离过程中,碎片离子是分步产生的,其时间间隔长于中间体的旋转周期,而非序列解离过程所有碎片离子都是在一次动力学事件中产生的.通过多体符合测量技术直接测定相关碎片离子的内部量子态和三维动量分布,可精确地识别和筛选序列解离通道和非序列解离通道.2016 年,Fan 等[24]对离子的三体库仑爆炸通道进行了研究,结果表明二聚体的三体解离以序列解离通道为主,弱vdW 键先断裂,再是强共价键断裂.而Song等[25]的研究提供了离子序列解离和非序列解离都存在的证据,并尝试揭示了两种解离通道的本质,它们与离子分解为 CO+离子和O+离子的动力学过程中的亚稳态解离和瞬时解离相一致.

本文在实验上探究了二氧化碳二聚体在强飞秒激光场中发生了四电离之后的解离动力学过程,利用多体符合测量技术收集了解离通道产生的所有离子碎片的三维动量和动能.结果表明,在强激光场的作用下离子的三体库仑爆炸通过序列和非序列两种通道发生,并且序列解离通道占主导作用.

2 实验条件

本文的实验是基于自建的冷靶反冲离子动量成像谱仪系统(cold-target recoil-ion momentum spectrometer,COLTRIMS)[26,27]完成的.二氧化碳二聚体由10 bar (1 bar=105Pa)的 CO2气体经过30 μm 的喷嘴进入真空腔体超音速膨胀时产生.通过掺钛蓝宝石激光脉冲放大系统输出中心波长790 nm,脉冲持续时间25 fs,重复频率10 kHz 的线偏振激光脉冲,并且使用焦距为75 mm 的球面镜聚焦于分子束上,实验过程使用的激光峰值光强为 8×1014W/cm2.此次实验只采集了离子数据,激光脉冲从 (CO2)2分子上电离掉4 个电子,产生的离子在60 V/cm 的匀强电场的约束和引导下到达位于探测腔底部的延迟线位置灵敏探测器(MCP).通过探测器获得所有离子碎片的飞行时间和位置信息,从而重构它们的三维动量.

3 结果与讨论

图1 给出了强飞秒激光场诱导的二氧化碳超音速分子束产生的3 个碎片离子的飞行时间关联图,峰值光强为8 × 1014W/cm2,它是探测器同一次事件内探测到的第1 个离子与第3 个离子的飞行时间之和对第2 个离子的飞行时间的函数,称为光离子-光离子-光离子符合谱.其中沿反对角线方向的亮线表示不同的三体库仑爆炸通道,而平行或垂直坐标轴的亮线是误符合的结果.COLTRIMS系统的优点之一是在一次实验中可以记录所有反应通道的数据,在离线分析中,来自不同反应通道的数据可通过对实验数据施加不同的筛选条件得以区分.

图1 光离子-光离子-光离子符合谱,即 C O2 超音速分子束冷靶在光强为 8×1014 W/cm2 的强飞秒激光场作用下产生的3 个碎片离子的关联图.其中横轴是第2 个离子的飞行时间,纵轴是第1 个和第3 个离子的飞行时间之和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.

图2 三体库仑爆炸产生的 CO+ 和 O+ 离子的动能关联图.将数据分为两部分以作为通道筛选的条件,其中红色梯形内的数据记为通道Ⅰ,此部分数据对应序列解离;红色圆圈内的数据记为通道Ⅱ,此部分数据对应非序列解离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.

图3 两种三体库仑爆炸通道对应的牛顿图 (a)通道Ⅰ对应于序列解离;(b)通道Ⅱ对应于非序列解离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.

这两种解离机制也可以从库仑爆炸释放的能量中进一步区分开来.图4 给出了三体库仑爆炸通道两种解离机制释放的总动能谱(kinetic energy release,KER).COLTRIMS 系统可以测量每个解离通道产生的所有碎片离子的三维动量,进而可以获得每个碎片离子的动能,在特定的解离通道中,所有产物(碎片离子)的动能之和是这个解离过程释放的总动能.其中黄色正三角线表示解离通道Ⅰ的KER 谱,其峰值位于20.1 eV;紫色倒三角线为解离通道Ⅱ的KER 谱,其峰值位于21.8 eV,两个解离通道对应的能量释放有明显的差异.为了说明离子两种不同的三体库仑爆炸过程,选取离子的两体爆炸通道单体的破裂通道作为参考,这两个通道的KER 谱如图4 中的棕色方形线(峰值为14.8 eV)和蓝色圆圈线(峰值为5.4 eV).可以看到解离通道Ⅰ释放的能量等于两个参考通道释放的能量之和,这是由于序列解离过程中的两步解离是相对独立的,两步解离释放的能量按照动量守恒最终分配给序列解离过程产生的3 个碎片离子.

图4 离子三体库仑爆炸序列解离通道(黄色正三角线)和非序列解离通道(紫色倒三角线)释放的动能谱,以及参考通道 (棕色方形线)和 (蓝色圆圈线)的动能谱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 结论