CO2q+(q≤4)在強(qiáng)激光場中的碎裂動力學(xué)研究

張 帥 江文斌 王新成 江玉海, 朱志遠(yuǎn),

1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800）

2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

3（中國科學(xué)院上海高等研究院 上海 201204）

4（上?？萍即髮W(xué) 上海 201210）

近二十年來，隨著成像技術(shù)的快速發(fā)展［1-2］，利用高電荷態(tài)離子［3-5］、電子［6-7］、自由電子激光脈沖［8-10］以及強(qiáng)激光場［11-12］的碰撞實驗，揭示雙原子分子［13-15］和多原子分子［16-18］的碎裂動力學(xué)機(jī)制。這一領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)是：理解分子鍵斷裂的選擇性和闡明哪些參數(shù)控制鍵裂變，以實現(xiàn)在飛秒時間尺度和原子分子空間尺度上探索和操縱特殊環(huán)境下量子態(tài)的演化，這在量子信息、凝聚態(tài)、半導(dǎo)體材料、生物醫(yī)學(xué)、能源環(huán)境等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。其中，CO2碎裂動力學(xué)過程已經(jīng)引起了研究人員的廣泛關(guān)注［19-22］，不僅由于其分子結(jié)構(gòu)是一種簡單的線性三原子分子，在三原子分子中的動力學(xué)過程相對簡單，而且它還是地球上溫室氣體中最重要的組成部分［23］，也是人類社會在工業(yè)生產(chǎn)和能源活動排放的主要氣體，嚴(yán)重影響全球生態(tài)平衡。在火星和金星等行星大氣中，CO2分子也是主要的化合物之一。

目前，CO2的兩體碎裂動力學(xué)過程的研究主要聚焦于CO22+→CO++O+通道上。Alagia等［24］利用同步輻射光源已經(jīng)對CO22+→CO++O+通道的三個光電離解離過程進(jìn)行了詳細(xì)分析，實驗結(jié)果表明了光電離解離過程的發(fā)生依賴于亞穩(wěn)態(tài)（CO22+）*離子的存活時間。Sharma等［25］在電子碰撞實驗中也觀察到了CO22+→CO++O+通道中（CO22+）*離子的亞穩(wěn)態(tài)衰變，并利用含時的量子力學(xué)波包方法得到了通道的動能釋放（Kinetic Energy Release，KER）譜，其理論結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。此外，Erattupuzha等［26］通過兩個不同峰值強(qiáng)度的延遲激光脈沖序列，在CO2不同的順序雙電離路徑中，對發(fā)生在中間狀態(tài)的分子動力學(xué)進(jìn)行精確控制，并從CO22+和CO（+O+）的產(chǎn)率中觀測到了不同分子動力學(xué)過程。在最近的研究中，胡洪濤等［27］在激光誘導(dǎo)的CO2雙電離解離過程中，發(fā)現(xiàn)了CO22+→CO++O+通道在發(fā)生之后，CO+和O+離子碎片有一定的概率與之前電離后的電子復(fù)合，形成激發(fā)態(tài)中性粒子CO*或者O*，測量結(jié)果表明，第二個被電離的電子復(fù)合概率是第一個被電離電子的三倍。

對于多原子分子的多體碎裂動力學(xué)分析是非常復(fù)雜的，它既可以通過非順序碎裂過程（所有化學(xué)鍵同時斷裂），也可以通過順序碎裂過程（化學(xué)鍵分步斷裂）。在CO2分子與電子［28］、離子［29］或光子［21］碰撞實驗中，均觀測到了CO23+→O++C++O+通道中順序和非順序碎裂過程。而CO24+的三體碎裂過程在電子碰撞與離子碰撞中存在明顯的差異，王恩亮等［7］利用能量為500 eV的電子對CO24+的三體碎裂做了細(xì)致的研究，實驗結(jié)果表明，CO24+→O++C2++O+和CO24+→O2++C++O+通道沒有明顯的順序碎裂過程。但Khan等［5］在高電荷離子碰撞實驗中，卻觀測到了CO24+→O2++C++O+通道的順序碎裂過程。這是由于離子與分子相互作用后，一個或者多個束縛態(tài)電子可以通過不同過程從分子中電離，即靶電離、炮彈電離、電子俘獲和轉(zhuǎn)移電離等，不同的電離過程是導(dǎo)致發(fā)生不同解離機(jī)制的關(guān)鍵因素。隨后，吳成印等［30］通過強(qiáng)激光場誘導(dǎo)實驗研究了CO2q（+q=3～6）在一些對稱通道的碎裂動力學(xué)，沒有發(fā)現(xiàn)CO2q（+q=4～6）順序碎裂過程的證據(jù)。然而，在強(qiáng)激光場誘導(dǎo)CO2解離實驗中，CO24+→O2++C++O+通道以及更高電荷態(tài)的碎裂動力學(xué)的研究仍然較少。

本文的工作是從實驗上研究利用強(qiáng)飛秒激光場誘導(dǎo)的CO2q（+q≤4）庫侖爆炸過程。我們通過符合測量技術(shù)確定了4個兩體解離通道和低電荷態(tài)下的3個三體解離通道。根據(jù)CO2分子的線性幾何結(jié)構(gòu)，首先利用兩個O離子之間的關(guān)聯(lián)性確定了順序碎裂和非順序碎裂過程；其次通過牛頓圖更好地展現(xiàn)了庫侖爆炸過程，并確定了CO24+的順序碎裂分子鍵的選擇機(jī)制。最后，我們利用動量譜儀［31］獲得的離子碎片動量矢量和TOF計算各個通道的KER分布。

1 實驗方法

1.1 實驗裝置

所有實驗工作均在本實驗室新研制的冷靶反沖離 子 動 量 譜 儀［32］（COLd-Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy，COLTRIMS）進(jìn)行。如圖1所示，CO2氣體通過由一個50 μm的噴嘴以及兩個尖端孔徑分別為0.2 mm和0.4 mm的Skimmer組成的超音速氣體噴射系統(tǒng)到達(dá)背景氣壓為2.0×10-8Pa的反應(yīng)腔，這樣得到的氣體靶密度約為108N·cm-3，并使得平均每個激光脈沖至多與一個CO2分子發(fā)生相互作用，確保碎裂后的離子碎片來自同一個母體離子。另一方面，采用波長為800 nm、脈沖持續(xù)時間為35 fs、重復(fù)頻率為1 kHz、由鈦藍(lán)寶石多通道放大系統(tǒng)提供線偏振激光脈沖，并經(jīng)過一個焦距為250 mm的凸透鏡將激光脈沖聚焦到反應(yīng)腔的分子束上，其在焦點處的峰值強(qiáng)度約為1015W·cm-2。其中，激光傳播方向、分子束方向和TOF方向分別記為空間坐標(biāo)的X、Y和Z方向，激光沿Y方向偏振。當(dāng)強(qiáng)激光場與CO2分子在焦點處相互作用時，分子內(nèi)的電子有很大的概率被剝離出去，發(fā)生電離過程。而一部分CO2q+分子離子在強(qiáng)激光場的作用下進(jìn)一步分裂成兩個或三個離子碎片，發(fā)生著名的庫侖爆炸過程。這些過程產(chǎn)生的電子和離子碎片沿著Z方向受到40 V·cm-1均勻電場的約束和引導(dǎo)。由于離子和電子遵循動量守恒定律，以及它們之間的質(zhì)量相差很大，電子在磁場的作用下做螺旋軌跡運動，離子的運動軌跡為拋物線，并被位于腔室兩端的位置敏感探測器接收，記錄電子和離子的飛行時間信號與位置信號。

圖1 COLTRIMS實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the COLTRIMS experimental apparatus

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集示意圖如圖2所示，位置敏感探測器接收到離子和電子時產(chǎn)生的電信號通過分線器耦合到腔外。其中包括離子端的1個MCP［33-34］信號和4個延遲線信號，電子端的1個MCP信號和6個延遲線信號。再通過放大器（Amplifier，AMP）將MCP和延遲線的原始信號放大200倍，以提高系統(tǒng)的信號噪聲比，而減少信號傳輸?shù)胶罄m(xù)電子學(xué)器件時外界的干擾。然后利用恒定系數(shù)甄別器（Constant Fraction Discriminator，CFD）消除因信號幅值抖動而引起的計時不準(zhǔn)確，并轉(zhuǎn)化成NIM信號。再經(jīng)過時間數(shù)字轉(zhuǎn)化卡［35］（Time-to-digital Conversion，TDC）轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用的TDC包含8路高精度采集通道，由兩塊卡并聯(lián)組成16個采集通道，其中的每一路都能進(jìn)行多擊響應(yīng)。離子探測器和電子探測器共產(chǎn)生的12路信號分別接入離子和電子計時卡。采集模式采用觸發(fā)匹配模式，利用光電二極管將激光脈沖輸出為電信號，再轉(zhuǎn)換成NIM信號作為觸發(fā)通道的時間零點。最后，將屬于同一事件的時間信號被作為整體存儲數(shù)據(jù)庫中。

圖2 信號采集示意圖Fig.2 Schematic diagram of signal acquisition

1.3 離子位置與TOF測量

離子碎片的位置信息通過延遲線兩端輸出的一組時間信號確定，朱小龍等［36］對延遲線陽極絲位置靈敏讀出原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹。相互垂直纏繞的兩條陽極絲可以分別給出兩個維度的位置信息，通常將長度固定的陽極絲中心位置定為原點，經(jīng)MCP放大后的脈沖電子束撞擊到陽極絲x（y）位置，利用陽極絲兩端的時間信號可得到位置信息，其計算方式如下：

式中：tx1、tx2、ty1和ty2分別對應(yīng)延遲線兩端的一組時間信號；v表示時間信號的有效傳輸速度。圖3（a）為CO2分子與強(qiáng)激光場相互作用產(chǎn)生的離子碎片位置與TOF關(guān)聯(lián)，可以清晰地觀測到離子碎片位置分布的多樣性，這表明實驗過程中存在多種電離解離路徑。為了進(jìn)一步得出這些離子碎片的動力學(xué)機(jī)制，需要對其進(jìn)行精確地識別，假設(shè)離子在TOF方向的初始動量為零、加速區(qū)長度為a、電壓為U，計算一個電荷為q、質(zhì)量為m的離子在反應(yīng)區(qū)作用后到達(dá)探測器的飛行時間T為：

由式（3）可知，由于離子碎片質(zhì)量-電荷比的不同，在給定的加速區(qū)長度和電壓條件下，離子碎片可以在如圖3（b）的TOF譜中得以區(qū)分。并利用離子的飛行時間可以得到TOF方向的動能E//：

通過E//可以得到初始動量P//。垂直于TOF方向的初始動量P⊥可以根據(jù)每個離子碎片的(x,y)的坐標(biāo)給出：

初始動量P⊥包含Px和Py兩個方向的動量，Px方向是激光傳播方向，Py方向是分子束方向（激光傳播方向、分子束方向和TOF方向相互垂直），離子碎片的三維動量分布得到了精確測算。然而，離子碎片的動量可能在不同的電離解離路徑中獲得，從圖3（a）中可以確認(rèn)C和O離子碎片沿y軸方向的分布特點。進(jìn)一步，利用光離子-光離子符合測量，以及光離子-光離子-光離子符合測量對特定反應(yīng)通道進(jìn)行精準(zhǔn)識別。

圖3 離子飛行時間與位置關(guān)聯(lián)譜Fig.3 Correlation spectrum of ion TOF and position

2 結(jié)果與討論

2.1 離子符合測量技術(shù)

基于動量守恒定律，同一母體離子通過庫侖爆炸過程所產(chǎn)生的離子碎片之間具有明顯的關(guān)聯(lián)性，并在離子碎片的TOF中有顯著特征。正如圖4（a）所示的光離子-光離子符合譜，將兩個離子碎片的TOF分別作為x和y軸，從圖中可以觀測到4條明顯的拋物線結(jié)構(gòu)。其中，每一條拋物線結(jié)構(gòu)代表一個兩體庫侖爆炸通道，根據(jù)兩個離子碎片對應(yīng)的TOF可以精確識別其離子碎片的電荷態(tài)：

由于CO2分子是由兩個C-O鍵組成，可以明確這4個兩體解離通道均是來源于C-O鍵的斷裂，并在庫侖排斥力的作用下發(fā)生庫侖爆炸。人們已經(jīng)對（1，1）通道進(jìn)行了大量的研究［24-27］，但對于（2，1）、（1，2）和（2，2）通道碎裂機(jī)制的研究較少，本文將進(jìn)一步討論這些通道的碎裂動力學(xué)。另一方面，利用如圖4（b）所示的光離子-光離子-光離子符合譜，從圖中觀測到了CO23+和CO24+的三個三體解離通道，根據(jù)三個離子碎片的TOF可以識別三體解離通道為：

圖4 (a)光離子-光離子符合測量圖，拋物線(n,m)表示庫侖爆炸通道：CO2(n+m)+→COn++Om+，(b)光離子-光離子-光離子符合測量圖，拋物線(n,q,m)表示庫侖爆炸通道：CO2(n+q+m)+→On++Cq++Om+Fig.4(a)Photoion-photoion coincidence(PIPICO)plot,the parabola(n,m)represents the Coulomb explosion channel:CO2(n+m)+→COn++Om+,(b)Photoion-photoion-photoion coincidence(PIPIPICO)plot,the parabola(n,q,m)represents the Coulomb explosion cha nnel:CO2(n+q+m)+→On++Cq++Om+

然而，三體解離動力學(xué)是非常復(fù)雜的，它既可以發(fā)生非順序碎裂通道，也可以發(fā)生分步碎裂的順序碎裂通道。

2.2 CO2的兩體碎裂

實驗利用符合測量技術(shù)識別出CO2q（+q≤4）的4個兩體解離通道分別是（1，1）、（1，2）、（2，1）和（2，2）通道。每個通道產(chǎn)生的氧離子碎片的三維動量分布如圖5所示，另一個與其相關(guān)聯(lián)的一氧化碳離子在實驗測得的動量分布與氧離子幾乎是一致的。從圖5可以明顯地觀測到4個通道的氧離子動量主要沿y方向分布，呈顯著的各向異性分布。Wu等［37］利用激光強(qiáng)度為1015W·cm-2、脈沖寬度為8 fs的強(qiáng)激光場對（1，1）通道進(jìn)行了細(xì)致研究，其離子碎片的動量主要沿激光偏振方向分布，這與我們的實驗結(jié)果是一致的。

圖5 CO2兩體碎裂過程產(chǎn)生的O離子動量分布在三個相互垂直的平面上的投影圖(a)CO++O+，(b)CO++O2+，(c)CO2++O+，(d)CO2++O2+Fig.5 Projections of the Oion momentum distribution generated from the two-body process in three mutually perpendicular planes(a)CO++O+,(b)CO++O2+,(c)CO2++O+,(d)CO2++O2+

然 而 ，Alnaser等［38］在 激 光 強(qiáng) 度 為6×1013W·cm-2、脈沖寬度為8 fs的強(qiáng)激光場中，實驗測得（1，1）通道的離子碎片動量分布與我們的實驗結(jié)果有很大的區(qū)別，它主要分布在與激光偏振方向夾角為0°～90°之間，這種不同的現(xiàn)象可歸結(jié)為動力學(xué)準(zhǔn)直機(jī)理和幾何學(xué)準(zhǔn)直機(jī)理的競爭關(guān)系［38］。動力學(xué)準(zhǔn)直機(jī)理表明：對于初始取向為各向同性的分子，分子軸由于激光電場和分子感生偶極矩的相互作用而重新排列，使得分子軸與激光電場的方向一致，這種機(jī)理可以發(fā)生在分子電離前后。幾何學(xué)準(zhǔn)直機(jī)理表示：激光場與分子軸的空間夾角決定了分子的第一電離幾率，根據(jù)MO-ADK（molecular-Ammosov-Delone-Krainov）理論，處在最高占有分子軌道（Highest Occupied Molecular Orbital，HOMO）的電子由于具有最低的電離能會最先被電離，離子碎片的角分布可以反應(yīng)HOMO的對稱性［39］。當(dāng)少周期飛秒激光脈沖的激光強(qiáng)度在非順序雙電離區(qū)時，幾何學(xué)準(zhǔn)直機(jī)理將占主導(dǎo)地位，由于CO2的HOMO是Πg，分子軸與激光場方向的夾角為46°時，電離幾率最大［15］。在本實驗中，CO2分子的線性方向（分子軸方向）在強(qiáng)激光場作用下沿激光場方向排列，并在激光峰值功率處發(fā)生庫侖爆炸，導(dǎo)致氧離子碎片和一氧化碳離子碎片的動量分布主要集中在激光偏振方向，通常認(rèn)為是動力學(xué)準(zhǔn)直機(jī)理占主導(dǎo)作用。

從分子中去除電子后將過渡到瞬態(tài)分子離子的激發(fā)態(tài)，在大多數(shù)情況下化學(xué)鍵會發(fā)生斷裂，并在庫侖力的作用下運動而獲得動量。由于實驗上采用超音速冷卻靶，母體分子離子在解離前的初始動量可以忽略不計。因此，單個通道的所有離子碎片的動能之和為通道KER。圖6為4個通道的KER分布，其中單峰表示每個通道的母體分子離子在單一的電子態(tài)解離，根據(jù)碎裂通道的KER可以重構(gòu)分子離子在碎裂前的幾何結(jié)構(gòu)，離子碎片之間的核間距Rco-o可根據(jù)下式得出：

圖6 兩體碎裂通道的KER分布Fig.6 The KER distributions for the two-body fragmentation channels

式中：qco為COq+碎片的電荷數(shù)；qo為Oq+碎片的電荷數(shù)。根據(jù)式（6）得到的Rco-o結(jié)果如表1所示，4個通道的Rco-o存在明顯的差異。

表1 CO2兩體解離通道的KER峰值和C-O鍵長Table 1 The peak of KER and C-O bond length of twobody dissociation channel of CO2

對于中性的CO2分子，C-O鍵的鍵長為0.117 nm，最可幾鍵角為172.5°［40］，得出中性的CO2分子的Rco-o應(yīng)該為0.181 nm。相比而言，實驗測得結(jié)果表明，CO2分子在強(qiáng)激光場的作用下Rco-o被拉長了。這種現(xiàn)象的原因取決于強(qiáng)激光場的脈寬大小，分子離子的鍵長隨著強(qiáng)激光場作用時間的延長而拉長［41］，這也進(jìn)一步表明動力學(xué)準(zhǔn)直機(jī)理在強(qiáng)激光場中的重要作用。

2.3 CO2的三體碎裂

基于CO2分子的線性幾何結(jié)構(gòu)，對于非順序碎裂通道，兩個C-O鍵同時碎裂產(chǎn)生三個離子碎片。如果兩個O離子碎片帶有相同的電荷，那么幾何空間的對稱性可以在動量空間得到保留，此時的兩個O離子碎片會獲得相同大小的動量。而對于順序碎裂通道，在第一個C-O鍵斷裂后會產(chǎn)生一個中間體COq+，由于中間體的旋轉(zhuǎn)運動，這將導(dǎo)致分步碎裂后的兩個O離子動量沒有明顯的關(guān)聯(lián)性。我們利用這種關(guān)聯(lián)性繪制了（1，1，1）、（2，1，1）和（1，2，1）通道的氧離子動量關(guān)聯(lián)譜，如圖7所示。由圖7（a）和（b）可以很清晰地觀察到兩種結(jié)構(gòu)，并用一個扇形隔開。其中，扇形外的兩個氧離子動量沿對角線分布，表明它們具有相等大小的動量，即使是來自（2，1，1）通道的不同電荷的兩個氧離子動量依然保留了很好的對稱性，而這些事件主要來源于非順序碎裂過程。相反，扇形內(nèi)的兩個氧離子動量沒有明顯的關(guān)聯(lián)性，其主要沿半圓狀分布，這是由于離子碎片主要產(chǎn)生于順序碎裂過程。此外，對比圖7（a）和（b）扇形內(nèi)的事件分布可以看出，右圖的結(jié)構(gòu)是左圖的一半結(jié)構(gòu)。（2，1，1）通道的O2+離子碎片動量分布主要集中在180 a.u.，這是由于O2+離子碎片只來源于第一步碎裂過程，獲得的動量分布范圍相對穩(wěn)定，表明（2，1，1）通道在順序碎裂過程中的第一步總是先解離一個O2+離子碎片，這種結(jié)果與Khan等［5］在高電荷態(tài)離子碰撞實驗中得到的結(jié)果是一致的。而（1，2，1）通道只有一種沿著對角線分布的結(jié)構(gòu)，如圖7（c）所示，這表明三個離子碎片僅來源于非順序碎裂通道，

圖7 CO2三體破碎通道產(chǎn)生兩個相關(guān)氧離子的動量關(guān)聯(lián)圖(a)O++C++O+，(b)O2++C++O+，(c)O++C2++O+Fig.7 Momentum correlation diagram for two correlated oxygen ions generated from the three-body fragmentation channels of CO2(a)O++C++O+,(b)O2++C++O+,(c)O++C2++O+

其中，將非順序解離通道記為Non-（nqm），順序碎裂通道記為Seq-（nqm）。

牛頓圖可以直觀地反映離子碎片之間的動量相關(guān)性，可以有效地識別三體碎裂機(jī)制。正如圖8所示的CO23+和CO24+三體碎裂的牛頓圖，將其中一個離子碎片的動量方向作為x軸，另外兩個離子碎片的動量矢量都?xì)w一化為該離子碎片的動量大小，并分別位于牛頓圖的上半部分和下半部分。計算方式如下：

圖8 CO2三體碎裂通道產(chǎn)生的相關(guān)離子碎片的牛頓圖(a)Non-(1,1,1)，(b)Seq-(1,1,1)，(c)Non-(2,1,1)，(d)Seq-(2,1,1)，(e)Non-(1,2,1)Fig.8 Newton diagram for correlated ion fragments generated from the three-body fragmentation channels of CO2(a)Non-(1,1,1),(b)Seq-(1,1,1),(c)Non-(2,1,1),(d)Seq-(2,1,1),(e)Non-(1,2,1)

圖9 是Non-（1，1，1）、Seq-（1，1，1）、Non-（2，1，1）、Seq（2，1，1）和Non-（1，2，1）通道的KER分布。與順序碎裂過程相比，非順序碎裂過程的總KER峰值更高，以及非順序碎裂過程得到的C離子碎片的KER峰值更低，分布范圍更小，如圖9（a）～（d），這一觀察結(jié)果可以解釋為順序碎裂和非順序碎裂過程的不同的分離模式。在順序碎裂過程中，中間體CO2+的解離總是伴隨著旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)一段時間后分解成C+離子碎片和O+離子碎片，正如牛頓圖中的圓形結(jié)構(gòu)所證明的。因此，C+離子碎片的最終動量是兩步碎裂得到的動量矢量的總和，伴隨著C+離子動量矢量會有一個大的角度分布，從而導(dǎo)致了C+離子動能分布更廣。在非順序碎裂過程中，兩個C-O鍵同時斷裂，由于其線性幾何結(jié)構(gòu)，可以預(yù)測到C+離子碎片的KER分布應(yīng)位于原點附近，兩個O離子碎片背對背發(fā)射。對于電荷態(tài)相等的兩個O離子，由于空間對稱性在動量空間中得以保留，會具有相似的KER分布，如圖9（a）和（e）所示。相反，電荷態(tài)更高的O離子獲得更高的KER，如圖9（c）所示。

圖9 三體碎裂通道的KER分布(a)Non-(1,1,1)，(b)Seq-(1,1,1)，(c)Non-(2,1,1)，(d)Seq-(2,1,1)，(e)Non-(1,2,1)Fig.9 KER distributions for the three-body fragmentation channels(a)Non-(1,1,1),(b)Seq-(1,1,1),(c)Non-(2,1,1),(d)Seq-(2,1,1),(e)Non-(1,2,1)

對于Non-（211）通道，總KER分布為22～45 eV，峰值為36.8 eV，這與電子［7］和50 fs強(qiáng)激光場［44］的研究結(jié)果有很大的不同。在CO2與電子碰撞研究中，總KER在30～80 eV分布，并觀察到一個尖銳的峰和一個較寬的峰，分別位于42.5 eV和54 eV。而在50 fs的強(qiáng)激光場實驗中，只得到了位于14 eV尖銳的峰。這種差異主要歸因于CO2分子在強(qiáng)激光場的作用下分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變形。正如Bocharova等［41］所指出的，隨著激光強(qiáng)場作用時間的延長，分子離子解離時的鍵長會被拉長，拉伸的臨界鍵長對應(yīng)的脈寬約為100 fs，而激光脈沖寬度很短時，激光強(qiáng)場對分子鍵長的拉伸效應(yīng)較小，此時可以忽略激光脈寬的影響。離子碎片在庫侖爆炸中獲得的動能與分子鍵斷裂時的鍵長有很強(qiáng)的依賴性。因此，總KER分布隨強(qiáng)激光場脈沖寬度的變化而不同。

3 結(jié)語

本文實驗研究了CO2q（+q≤4）在強(qiáng)激光場中的碎裂動力學(xué)過程。由于動力學(xué)準(zhǔn)直機(jī)理的作用，4個兩體碎裂通道的離子碎片主要沿激光偏振方向出射，這些通道的KER分布也清晰地證明了分子鍵長在激光場的作用下被拉長了。我們利用動量關(guān)聯(lián)譜、牛頓圖和KER譜詳細(xì)分析了（1，1，1）和（2，1，1）通道的非順序和順序碎裂過程，以及（2，1，1）通道的非順序碎裂過程。在實驗上揭示了（1，1，1）和（2，1，1）通道的順序碎裂過程中存在一個中間體CO2+離子，并在旋轉(zhuǎn)一段時間后發(fā)生第二步碎裂。這也表明了Seq-（2，1，1）通道所產(chǎn)生的O2+離子碎片只能在第一步碎裂過程中產(chǎn)生，揭示了分子鍵斷裂是存在一定的選擇性。本實驗工作還進(jìn)一步驗證了分子鍵長在強(qiáng)激光場的作用下被拉伸，其激光脈沖寬度是調(diào)控分子鍵長的關(guān)鍵因素，這為調(diào)控分子結(jié)構(gòu)提供了重要思路。

作者貢獻(xiàn)聲明張帥：設(shè)計實驗方案、進(jìn)行實驗工作，并負(fù)責(zé)論文起草、修改的主要工作；江文斌：負(fù)責(zé)文獻(xiàn)調(diào)研與整理，并參與實驗工作和論文的修改；王新成：負(fù)責(zé)指導(dǎo)論文編寫及論文的修訂；江玉海：負(fù)責(zé)審核、修訂最終版本的論文；朱志遠(yuǎn)：負(fù)責(zé)審核、修訂最終版本的論文。