飛秒激光場中OCS分子的里德堡態(tài)激發(fā)

呂 航，張世文，王 瑞，孫 添，劉 洋，徐海峰

（吉林大學(xué)原子與分子物理研究所，長春 130012）

1 引言

原子分子在飛秒強(qiáng)激光場下電離產(chǎn)生的自由電子，在激光場的驅(qū)動下可返回到原子核附近與之發(fā)生碰撞［1］，產(chǎn)生許多新奇的物理現(xiàn)象，例如高階閾上電離［2］，非序列雙電離［3］，高次諧波發(fā)射［4］等.近年來有研究表明，一部分自由電子在激光結(jié)束后最終沒能逃離原子核的束縛，而被俘獲到高里德堡態(tài)上，產(chǎn)生中性里德堡態(tài)原子［5］.這一現(xiàn)象被稱為里德堡態(tài)激發(fā).根據(jù)所選擇的激光強(qiáng)度和波長的不同，其內(nèi)在的物理機(jī)制可以理解為多光子共振或受挫的隧穿電離［6］.最新的量子軌道模型表明，里德堡態(tài)激發(fā)是強(qiáng)場光電離產(chǎn)生的低能光電子被相干俘獲而形成的［7］.在過去的幾年里，這一現(xiàn)象受到了實(shí)驗(yàn)和理論上的廣泛關(guān)注，研究發(fā)現(xiàn)，里德堡態(tài)激發(fā)與中性粒子加速［8］、閾值下的高次諧波［9］以及低能光電子結(jié)構(gòu)［10］等現(xiàn)象都有密切關(guān)系.除原子體系外，雙原子分子在飛秒激光場下也存在里德堡態(tài)激發(fā)現(xiàn)象，且與分子軌道結(jié)構(gòu)密切相關(guān)［11］.

對于分子來說，額外的原子核自由度以及分子的結(jié)構(gòu)使得里德堡態(tài)激發(fā)現(xiàn)象變得更為復(fù)雜.除分子母體的里德堡態(tài)激發(fā)，解離或庫侖爆炸產(chǎn)生的碎片離子亦可俘獲低能光電子從而形成中性里德堡態(tài)碎片.這一現(xiàn)象已經(jīng)在各種分子體系中被觀測到，例如H2［12］，D2［13］，O2［14］，N2［15］，，CO［16］以及二聚體等團(tuán)簇結(jié)構(gòu)［18］.然而，到現(xiàn)在為止，還沒有三原子分子母體里德堡態(tài)激發(fā)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究被報(bào)道.

OCS分子是一個典型的非對稱三原子分子，其強(qiáng)場解離/庫侖爆炸通道以及離子的角分布等已有大量的文獻(xiàn)見諸報(bào)道［18］.最近，OCS 分子在不同波長下的非序列雙電離動力學(xué)機(jī)制的轉(zhuǎn)變也被研究［21］.然而，目前對于OCS分子強(qiáng)場的里德堡態(tài)激發(fā)過程尚沒有研究.本文中，我們研究了OCS分子在800 nm飛秒激光場下的里德堡態(tài)激發(fā)過程，通過測量不同中性里德堡態(tài)母體分子及其碎片對激光參數(shù)的依賴關(guān)系，并將之與直接電離解離產(chǎn)生的離子相比較，研究了中性碎片形成的物理機(jī)制.研究表明，OCS 分子在強(qiáng)激光場中可以產(chǎn)生中性高里德堡態(tài)母體分子和多種碎片，且里德堡態(tài)碎片（S*，OC*，C*和O*）分別與C原子的一價(jià)，二價(jià)和三價(jià)離子具有相同的出現(xiàn)光強(qiáng)，其產(chǎn)率對激光橢偏率的依賴也十分相似，表明中性里德堡態(tài)碎片的產(chǎn)生與分子的強(qiáng)場多次電離密切相關(guān).此外，本文還討論了中性碎片產(chǎn)率對激光橢偏率強(qiáng)烈依賴的內(nèi)在原因.

2 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)詳細(xì)過程參見我們之前的研究工作［11，22，23］，這里僅做簡單介紹.溢流分子束通過噴嘴進(jìn)入反應(yīng)室與聚焦后的飛秒激光垂直相互作用，產(chǎn)生的離子被飛行時(shí)間質(zhì)譜檢測.我們采用脈沖電場場致電離的方法結(jié)合飛行時(shí)間質(zhì)譜測量飛秒激光場下的中性里德堡態(tài)激發(fā)，直接電離所產(chǎn)生的各種離子在反向電場的作用下飛離探測器，而處于高里德堡態(tài)的中性母體分子及碎片在一定的延遲時(shí)間后，在正向脈沖電場的作用下被場致電離，形成的離子沿此正向電場飛向探測器被收集.

實(shí)驗(yàn)中飛秒激光是由鈦寶石激光器產(chǎn)生的，其脈寬為50 fs，中心波長在800 nm，單脈沖最大能量為4 mJ，重復(fù)頻率為1 KHz.使用零級半波片和格蘭棱鏡來改變激光的強(qiáng)度，通過旋轉(zhuǎn)零級四分之一波片來改變激光的橢偏率.最終，激光通過焦距為25 cm的平凸透鏡聚焦進(jìn)入反應(yīng)區(qū).聚焦后的激光峰值強(qiáng)度通過對比實(shí)驗(yàn)測量的Xe原子強(qiáng)場電離的飽和光強(qiáng)與和ADK理論［24］結(jié)果來校正.

3 結(jié)果與討論

我們研究了OCS分子在1 ×1013W/cm2～3 ×1014W/cm2光強(qiáng)范圍內(nèi)，不同偏振狀態(tài)下的里德堡態(tài)激發(fā)現(xiàn)象，并將之與直接電離解離產(chǎn)生的離子相比較，從而分析中性碎片產(chǎn)生的物理機(jī)制.

在圖1（a）中給出了OCS 分子在3 ×1014W/cm2的光強(qiáng)下直接電離解離的飛行時(shí)間質(zhì)譜.從圖中可以看出，OCS 分子出現(xiàn)了大量的電離解離碎片，其中原子的高價(jià)碎片離子占主要地位，例如，C2+和O3+原子離子的產(chǎn)率遠(yuǎn)大于母體離子.從圖中可以看出，高價(jià)原子離子碎片的質(zhì)譜峰劈裂為雙峰，這是庫侖爆炸的特征現(xiàn)象之一，說明在此光強(qiáng)下，OCS 分子發(fā)生多次電離，庫侖爆炸為原子離子的主要產(chǎn)生通道.

圖1 OCS分子直接電離解離（a）以及里德堡態(tài)場致電離（b）的飛行時(shí)間質(zhì)譜.為了便于分析，我們分別以質(zhì)譜中最大信號為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行歸一化.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.

圖1（b）中給出了OCS 分子在同樣光強(qiáng)下產(chǎn)生的中性高里德堡態(tài)場致電離的飛行時(shí)間質(zhì)譜.從圖中可以明顯看到母體中性里德堡態(tài)OCS*的信號，這是首次在實(shí)驗(yàn)上觀測到了三原子分子的強(qiáng)場里德堡態(tài)激發(fā)現(xiàn)象.除了中性母體以外，我們還測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，中性碎片主要來源于解離/庫侖爆炸通道產(chǎn)生的離子俘獲低能光電子產(chǎn)生的，這些中性碎片都具有一定的平動能，因此圖1（b）內(nèi)中性碎片的質(zhì)譜峰較寬.而相應(yīng)的中性母體里德堡態(tài)，由于其攜帶的平動能較小，因此對應(yīng)的質(zhì)譜峰的寬度很窄.

進(jìn)一步我們測量了中性里德堡態(tài)的產(chǎn)率隨激光光強(qiáng)的變化，如圖2 所示.對應(yīng)的直接電離的離子產(chǎn)率也在圖中給出.從圖2（a）中可以看出，OCS分子的電離產(chǎn)率隨光強(qiáng)增加而增加，在1 ×1014W/cm2左右達(dá)到飽和.圖中碎片離子出現(xiàn)的光強(qiáng)為在3 ×1013W/cm2，表明解離性電離通道開啟，當(dāng)光強(qiáng)進(jìn)一步增強(qiáng)，庫侖爆炸成為碎片離子產(chǎn)生的主要通道.從圖2（b）中可以看出，隨著光強(qiáng)的增加，中性母體激發(fā)態(tài)OCS*的產(chǎn)率明顯低于中性原子里德堡態(tài)碎片S*.這與直接電離的結(jié)果不同，在整個光強(qiáng)范圍內(nèi)，直接電離的母體離子OCS+的產(chǎn)率都遠(yuǎn)大于碎片S+.因此實(shí)驗(yàn)上觀測到OCS*的產(chǎn)率小于S*表明里德堡態(tài)激發(fā)的幾率不僅取決于離子的產(chǎn)量，還應(yīng)該考慮離子對光電子的束縛能力等其他因素.通過對比中性碎片S*和S+離子的光強(qiáng)依賴，發(fā)現(xiàn)他們具有完全相同的變化趨勢，如圖2（a）中插圖所示，產(chǎn)率比值S*/S+不隨光強(qiáng)的變化而變化，表明中性激發(fā)態(tài)碎片S*應(yīng)該由解離/庫侖爆炸產(chǎn)生的S+俘獲光電子而形成的.類似地，我們認(rèn)為，OC*亦來自于OCS+hν——OCm++Sn+（m=1 或n=1）解離產(chǎn)生的離子俘獲電子過程.最近關(guān)于CO分子的強(qiáng)場里德堡態(tài)激發(fā)研究表明［17］，C+比O+更容易俘獲低能光電子從而形成中性里德堡態(tài)碎片，其原因?yàn)楫?dāng)激光電場方向由與C—O分子軸方向同向時(shí)，CO分子具有更高的電離幾率，且此時(shí)的低能光電子具有反向的動能，更容易被反向發(fā)射的C+離子俘獲.類似的機(jī)制可以解釋S*產(chǎn)率高于OC*產(chǎn)率，即當(dāng)S—CO分子軸與激光電場同向時(shí)，OCS分子更容易被電離，因此，反向發(fā)射的S+更容易俘獲低能光電子從而形成中性里德堡態(tài)碎片［25］.

中性激發(fā)態(tài)碎片C*和O*具有完全相同的光強(qiáng)依賴，如圖2（b）所示，說明其產(chǎn)生可能來源于同一通道.中性激發(fā)態(tài)碎片C*與直接電離解離產(chǎn)生的C+的產(chǎn)率比值不隨激光強(qiáng)度的變化而變化，如圖2（a）插圖所示.這說明C*亦是解離/庫侖爆炸產(chǎn)生的C+俘獲低能光電子而形成的.

圖2 直接電離解離的離子（a）和中性里德堡態(tài)（b）的產(chǎn)率隨激光光強(qiáng)的變化關(guān)系.其中（a）中插圖為中性碎片與相應(yīng)離子S*/S +和C*/C+產(chǎn)率的比值隨光強(qiáng)的變化關(guān)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+.

我們進(jìn)一步測量了中性激發(fā)態(tài)母體分子及其碎片的產(chǎn)率隨激光橢偏率的變化關(guān)系，結(jié)果在圖3中給出.從圖中可以看出，里德堡態(tài)激發(fā)的產(chǎn)率強(qiáng)烈依賴于激光橢偏率，在線偏光處產(chǎn)率最大，而隨著橢偏率的增加，激發(fā)產(chǎn)率隨之快速減小.這與之前原子體系強(qiáng)場激發(fā)的研究結(jié)果是一致的［5，26］.半經(jīng)典的理論計(jì)算結(jié)果表明［22］，隨著激光橢偏率的增加，光電子在激光場中受到額外方向上的加速，低能光電子的產(chǎn)率也隨之降低，因此，俘獲低能電子產(chǎn)生里德堡態(tài)的幾率亦隨之減小.從圖3 中我們還發(fā)現(xiàn)，不同中性碎片產(chǎn)率隨激光橢偏率變化的程度不相同，圓偏光下S*的產(chǎn)率約為線偏光的6%，O*和C*的產(chǎn)率約為10%，而OC*的圓偏光與線偏光的比值為30%，說明其對激光橢偏率的依賴最弱.

圖3 中性里德堡態(tài)分子和碎片的產(chǎn)率在激光光強(qiáng)8×1013 W/cm2下隨橢偏率的變化關(guān)系.Fig.3 Dependence of the yield of RSEon laserellipticity at the laser intensity of 8×1013 W/cm2.

根據(jù)以上討論，OCS 分子與飛秒激光場相互作用，形成的離子可以俘獲低能光電子，從而形成中性里德堡態(tài)分子及原子碎片.我們注意到，在很低的光強(qiáng)3 ×1013W/cm2時(shí)就OCS 分子解離性電離即可以產(chǎn)生大量的一價(jià)離子碎片S+、O+、C+和CO+等，而對應(yīng)的中性里德堡態(tài)碎片，S*、O*、C*和CO*則在更高的光強(qiáng)下才出現(xiàn)（圖2）.這些中性激發(fā)態(tài)中，S*的出現(xiàn)光強(qiáng)最低，為4 ×1013W/cm2，與C+離子的出現(xiàn)光強(qiáng)接近，而CO*和C*（或O*）的出現(xiàn)光強(qiáng)高達(dá)8 ×1013W/cm2和1×1014W/cm2，分別與C2+離子和C3+離子的出現(xiàn)光強(qiáng)相近.這說明中性里德堡態(tài)碎片（S*、O*、C*和CO*）更可能來自于OCS 分子多次電離后庫侖爆炸（而不是解離性電離）產(chǎn)生的碎片離子（S+、O+、C+和CO+）俘獲低能電子產(chǎn)生的.

為了深入研究中性激發(fā)碎片的產(chǎn)生機(jī)制，我們比較了不同中性碎片在出現(xiàn)光強(qiáng)下的激光橢偏率依賴，及其與相應(yīng)光強(qiáng)下的C+，C2+和C3+離子的結(jié)果，如圖4 所示.我們發(fā)現(xiàn)，S*與C+，CO*與C2+以及C*（或O*）與C3+對激光橢偏率有非常相似的依賴關(guān)系.由于C原子為OCS的中心原子，如果考慮三體庫侖爆炸，一價(jià)、二價(jià)和三價(jià)C原子離子產(chǎn)生的最低價(jià)母體分別為OCS3+、OCS4+和OCS5+.因此，圖4 的結(jié)果進(jìn)一步表明強(qiáng)激光場中中性激發(fā)態(tài)碎片的出現(xiàn)與分子多次電離是密切關(guān)聯(lián)的.

事實(shí)上，最新的實(shí)驗(yàn)研究表明，分子雙電離中的第二個光電子更容易被離子俘獲形成中性里德堡態(tài)［27］.而對于強(qiáng)場中分子的中性里德堡態(tài)激發(fā)與多次電離及庫侖爆炸的關(guān)系，仍有待深入的研究.我們的結(jié)果表明，在庫侖爆炸過程中，通過俘獲電子，是碎片中性激發(fā)態(tài)產(chǎn)生的一種可能機(jī)制.對于分子的強(qiáng)場多次電離，隧穿電子的重散射過程有十分重要的貢獻(xiàn)，而重散射過程是強(qiáng)烈依賴于激光偏振的［27］，這也可能是導(dǎo)致強(qiáng)場中性里德堡態(tài)碎片的產(chǎn)率對激光橢偏率有強(qiáng)烈依賴關(guān)系的原因.

圖4 （a）S*和C+（b）OC*和C2+以及（c）O*，C*和C3+的產(chǎn)率隨激光橢偏率的變化.其中光強(qiáng)分別為4 ×1013 W/cm2（a），8 ×1013 W/cm2（b）和1 ×1014 W/cm2（c），是圖中離子和中性碎片的出現(xiàn)光強(qiáng).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 結(jié)論

本文使用脈沖電場場致電離的方法研究了三原子分子OCS在飛秒激光場下的里德堡態(tài)激發(fā)現(xiàn)象.研究發(fā)現(xiàn)，S*與C+離子，OC*與C2+離子，C*和O*與C3+離子分別具有相同的出現(xiàn)光強(qiáng)，且在此光強(qiáng)下中性碎片與相應(yīng)的C原子離子具有相同的橢偏率依賴.分析表明，中性里德堡態(tài)碎片的產(chǎn)生與分子強(qiáng)場多次電離密切相關(guān)，且中性碎片的激光偏振依賴來自在圓偏光下分子多次電離的產(chǎn)率的抑制.