强场分子解离中电子—核关联的超快动力学研究

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强激光脉冲驱动下原子分子内部的超快动力学过程已经被许多研究者广泛研究。当高强度激光脉冲作用到分子体系上时,因为此时外电场的强度与分子内部相互作用力的强度几乎相当,所以外电场将会摧毁分子体系内部各个组成部分之间原本相对平衡的运动状态。这时,分子体系内部的原子核就会在内部相互作用力与外在电场作用力的同时作用下分离开来,即强激光场驱动下的分子解离(通常也简称为强场分子解离)。研究分子在强场中的解离是在原子分子尺度控制电子波包运动以及化学反应的基础,因此具有十分重要的科学意义。通常情况下,人们对于强场解离过程的研究是将电子与核的运动分开来,对电子与核的动力学过程进行独立研究,但是强场分子解离过程中电子与核的动力学过程本质上是相互关联的。分子解离过程中的电子-核关联动力学一定程度上决定了分子解离发生的方向和化学键的断裂与形成,对于人们深入理解许多强场超快现象具有重要的指导意义。一般来说分子体系在强场作用下发生解离后,该体系中的电子有两种可能的状态:第一,电子依然绕着原子核运动。在这个过程中,电子有可能局域在不同的原子核上,即电子局域化。研究电子局域化有望实现在阿秒时间尺度内探测和控制化学反应中化学键断裂与形成。第二,电子被电场电离而成为自由电子。这个过程被称为解离性电离。在这个过程中,电子-核的能量分享问题是一个核心问题。研究电子-核能量分享问题可以帮助人们深入理解解离性电离的物理过程。电子局域化和电子-核能量分享这两个过程,均与分子解离过程中的电子-核关联动力学密切相关。本论文以双原子分子(H2+,HeH2+)为研究对象,围绕强激光场驱动分子解离过程中电子-核关联的超快动力学过程这一研究课题,开展了以下几个方面的工作:(1)研究了中红外周期量级的脉冲和低频场共同作用下的氢分子离子H2+解离过程,发现电子局域化程度比单个中红外场作用时有显著增强。在这个过程中,周期量级的中红外脉冲用来驱动H2+的解离。低频场用来调制沿着最低两个相干耦合电子态解离的碎片的动力学过程。在我们的控制方案下,从最低两个电子态解离的碎片的离子动能谱的分布非常接近。这就说明沿着这两个通道解离的解离碎片具有相同的末动能。通过调节中红外脉冲的载波包络相位,可以有效控制电子波包并使其集中在其中某一个原子核附近。进一步的研究表明仅仅通过调节低频场的强度就可以有效控制电子局域化过程。这一发现能大大地降低对实验条件的要求。(2)提出了一种控制H2+的高激发电子态的电子局域化的方案。此方案用到两个次序极紫外脉冲。用第一个134nm的极紫外脉冲激发基态1s<σg上的波包,使其通过双光子激发到高激发态2Sσg上面。经过一定的时间延迟之后,加上第二个波长为400 nm的极紫外脉冲,用以调制2sσg和3pσu电子态在单光子耦合区的波包跃迁。脉冲结束之后,2sσg和3pcσu电子态上面的波包的相干叠加就会导致不对称的电子局域化的产生。通过调节两个极紫外脉冲之间的时间延迟或者在合适时间延迟下调节第二个脉冲的载波包络相位,均能够控制高激发态电子局域化。这对实现大分子电子局域化的控制具有重要指导意义。(3)通过数值求解含时薛定谔方程,研究了 H2+在强激光场驱动下发生解离性电离过程中的电子与核的能量分享问题。通过定量分析电子与核的关联能量谱,重新校验了前人工作中给出的电子与核的能量分配规律。比较发现在电子与核的关联能量谱中存在能量偏移现象。能量偏移量随着核能量的减小而增大。通过追踪束缚态电子波包在激光场中随时间的演化,发现该能量偏移是由斯塔克效应引起的。这里的斯塔克效应是由于H2+的最低两个电子态在强激光场中的耦合所产生的。最后,采用解析的方法求出了斯塔克效应诱导的能量偏移量,其结果与模拟计算得到的电子与核关联能量谱上的能量偏移相吻合。电子与核的关联能量谱中携带有丰富的有关分子内部的电子和核的超快动力学过程的信息。因此,对分子强场解离性电离过程中电子-核关联的动力学研究将为分子结构探测提供一种可能的方法。(4)研究了不对称的HeH2+分子的电子-核关联现象。通过数值求解含时薛定谔方程,研究了 HeH2+强场电离过程中的电子与核的能量分享问题。对比对称分子的电子-核的关联能量谱,在HeH2+的电子-核的关联能量谱中发现了能量偏移现象。通过追踪束缚态的电子波包随时间的演化,发现不对称分子的电子-核关联能量谱中的能量偏移是由斯塔克效应和奥特勒-汤尼斯效应共同作用所引起的。这里的斯塔克效应与HeH2+的固有偶极距有关,而奥特勒-汤尼斯效应是由强激光场作用下HeH2+的2pσ电子态和2sσ电子态的强有力的耦合所产生的。通过改变激光脉冲的强度可以控制不对称分子电子与核的能量分享。
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