CO2分子在飛秒強激光場中的光電離實驗研究

張 科，李蘭蘭，李 旺，余海軍，郭大偉

(淮南師范學(xué)院 電子工程學(xué)院，安徽 淮南 232038)

0 引言

1 實驗原理和裝置

原子、分子在飛秒強激光場中的電離現(xiàn)象通常用有質(zhì)動力能(Ponderomotive Energy)、庫侖爆炸、Keldysh參數(shù)γ等參數(shù)來表征.分子與強激光場作用產(chǎn)生的高價母體離子之間由于庫侖排斥力的作用，會發(fā)生瞬間爆炸現(xiàn)象，產(chǎn)生的離子信號質(zhì)譜圖像呈現(xiàn)雙峰或多峰結(jié)構(gòu)，即為庫侖爆炸.在庫侖爆炸過程中產(chǎn)生的能量則轉(zhuǎn)化成碎片離子的平動能Ek：

(1)

其中q是離子的電荷數(shù)，Δt是兩峰之間時間差，E是偏轉(zhuǎn)電場的強度，m是離子的質(zhì)量數(shù).在飛秒強激光場中，電子的有質(zhì)動力能公式為：

(2)

其中I為激光強度，λ為激光波長.研究發(fā)現(xiàn)隨著激光光場強度的逐步提高，原子、分子在激光場中的電離機制也將發(fā)生轉(zhuǎn)變.為了區(qū)別不同的電離機制，Keldysh基于假設(shè)勢阱無限窄，提出了Keldysh系數(shù)γ：

(3)

其中，Ip為分子的電離勢.根據(jù)Keldysh系數(shù)γ的取值，通常將分子在激光場中的電離機制分為三種情況：當(dāng)γ>1時，多光子電離的幾率將超過遂穿電離，在分子的電離過程中起主導(dǎo)作用； 當(dāng)γ<1時，遂穿電離的幾率將超過多光子電離占據(jù)主導(dǎo)作用；當(dāng)γ=1時，兩類電離同時存在，二者相互競爭.

圖1 CO2分子的光電離實驗裝置

本研究裝置主要包括配氣系統(tǒng)、飛行時間質(zhì)譜系統(tǒng)、真空腔體系統(tǒng)、延時調(diào)節(jié)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等，如圖1所示.

為減小真空腔體中殘存氣體的影響，將束源室、電離室真空度控制在1.0×10-6Pa，脈沖閥工作時，束源室的真空度控制在1.0×10-4Pa左右，電離室維持在1.0×10-5Pa左右.CO2分子在前置大氣壓推動下，借助于工作頻率為10 Hz的脈沖閥進(jìn)入真空腔體中的束源室形成超聲脈沖分子束，經(jīng)直徑1 mm的Skimmer準(zhǔn)直后進(jìn)入電離室.800 nm飛秒激光由薄透鏡聚焦后在真空腔體中的電離區(qū)與CO2分子的超聲脈沖分子束發(fā)生作用.光電離產(chǎn)生的碎片離子在電場作用下經(jīng)過引出極偏轉(zhuǎn)、加速極加速后，沿直線飛行一段距離后到達(dá)離子探測器，接收到的各種碎片離子信號通過放大器傳輸?shù)绞静ㄆ?實驗中為提高離子信號的信噪比，經(jīng)過反復(fù)不斷測試，最終設(shè)定引出極、加速極以及MCP負(fù)高壓分別為1 470 V、1 150 V和-1 995 V.同時在進(jìn)行質(zhì)譜圖像采集時，為提高離子信號的信噪比，將平均次數(shù)固定在3 000次.

2 實驗結(jié)果與討論

圖2 CO2分子在平行線偏振光作用下激光強度為9.1×1014W/cm2時的質(zhì)譜圖

圖3 CO2分子在平行線偏振光作用下不同激光強度時的質(zhì)譜圖

圖4 水平線偏振激光場中 和C+離子信號變化趨勢

為了研究CO2分子產(chǎn)生的碎片離子隨激光偏振度的變化關(guān)系，分別采集了CO2分子在相同激光強度下，不同激光偏振方向下(平行線偏振、垂直線偏振和圓偏振)的飛行時間質(zhì)譜，如圖5和圖6所示.

圖5 CO2分子在激光強度為9.1×1014 W/cm2時(e)平行線偏振光和(f)垂直線振光下的飛行時間質(zhì)譜

圖5是CO2在平行線偏振、垂直線偏振，激光強度為9.1×1014W/cm2下的飛行時間質(zhì)譜.從圖中可以發(fā)現(xiàn)：平行線偏振光中得到的O+、O2+離子信號是三峰結(jié)構(gòu)，O3+離子信號是雙峰結(jié)構(gòu).而在垂直線偏振光中的O+、O2+離子信號是單峰結(jié)構(gòu)，O3+離子信號很弱.然而，平行線偏振光中C+、C2+、C3+離子信號是單峰結(jié)構(gòu)，垂直線偏振光中的C+、C2+、C3+離子信號峰型都很寬，有雙峰結(jié)構(gòu)的趨勢.顯然，平行線偏振光和垂直線偏振光對CO2分子電離有很大影響.圖6是CO2分子在平行線偏振、圓偏振，激光強度為9.1×1014W/cm2下的飛行時間質(zhì)譜.圖中顯示：平行線偏振光和圓偏振光中O+、O2+離子信號峰都是三峰結(jié)構(gòu)，O3+離子信號峰都是雙峰結(jié)構(gòu)，且C+、C2+、C3+離子信號都是單峰結(jié)構(gòu)，只是平行線偏振光中的離子信號強度比圓偏振光中對應(yīng)的離子信號強度略強些.

圖6 CO2分子在激光強度為9.1×1014 W/cm2時(g)平行線偏振光和(h)圓振光下的飛行時間質(zhì)譜

同時由式(1)可以計算出平行線偏振光作用下，激光強度為9.1×1014W/cm2時，碎片離子O+、O2+、O3+的平動能如表1所示.

表1 離子O+、O2+、O3+的平動能

圖在線偏振光、圓偏振光下的激光強度依賴關(guān)系

3 結(jié)論