CS2分子的强场光电离研究

李兰兰，张 科，杨智军，余海军,杜建明

(淮南师范学院 电子工程学院，安徽 淮南 232038)

0 引言

1960年美国科学家梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器.自此以后，人们不断努力地研究和发展激光技术，以提高激光功率、扩展激光波长范围、缩短脉冲宽度以及使激光向全固态、小型化及微型化方向发展[1-2].激光技术的快速发展，带动了光物理、光化学和分子反应动力学的快速发展[3-4]，使得激光场进入了强场领域.相对于弱激光场而言，原子和分子与强场相互作用时会表现出一系列复杂的新现象：非次序双电离或多电离[5-7]、高阶阈上电离[8-9]、高次谐波的产生[10-12]、分子的库仑爆炸[13-14]和增强电离[15-16]等.由于飞秒强激光场中的电场强度相比原子或分子内部库仑相互作用时的强很多[17-18]，所以经典的微扰理论已经不再适用.理论上通常用库伦爆炸[19-20]、有质动力能[21]和Keldysh提出的非绝热系数γ[22-24]来研究原子和分子在强场中的电离现象.在库仑爆炸过程中，高价母体离子快速解离，产生碎片离子，在飞行时间质谱上表现为离子信号呈现多峰结构，多为双峰结构.通过测量这两个峰之间的飞行时间差，就可以确定离子的平动能

(1)

式中U1、U2分别为引出电极和加速极的电压；d为两极板之间的间隔；q,m分别为离子的电荷数和质量；Δt为双峰对应的两离子到达MCP的时间之差，E为U1和U2之间的电场强度.若Δt的单位是ns，E的单位是V/cm，m用相对分子质量M表示，平动能的单位是eV，则：

(2)

原子和分子在强激光场中的电离机制可按照Keldysh参数γ来划分.其表达式为：

(3)

式中的Ip为电离势，单位是eV，E0为场强，单位是V/cm，I为激光的能量，其单位为W/cm2.由激光强度与电场的关系可得：

(4)

在强场作用下的电子，其有质动力能是:

(5)

联立以上各式可得：

(6)

当γ>1时，原子或分子的电离方式主要是多光子电离和阈上电离；当γ<1时，电离方式主要是遂穿电离和越垒电离；当γ≈1时，电离方式包括以上两种方式.

CS2是一种典型的线性的三原子分子，其结构式呈直线式的对称结构.CS2分子是天体物理和超高层气流物理学的重要分子，关于CS2的电离解离一直备受关注，人们进行了大量的研究工作[25-29].例如，Couris等人[30]在345～370 nm波长范围利用飞行时间质谱技术测量了CS2的电离谱.随着超短脉冲激光技术的发展，出现了更多关于CS2使用飞秒激光电离解离的研究.Safvan等人[31]研究CS2在皮秒激光场中的电离解离，发现了空间电荷相互作用和激光强度是影响反应过程中产生的碎片离子碎片分布的重要因素.Farmanara等人[32]使用飞秒激光研究CS2预解离机制，发现CS2解离过程的相关性.Wu等人研究了CS2与810 nm波长的飞秒激光相互作用，指出了CS2在飞秒激光场中的库伦爆炸是各向异性的[33-34].Saha K等[35]在皮秒和飞秒激光中研究了CS2的电离和几何结构，并通过比较质谱得到:在线偏振光和圆偏振光中是不可能将CS2的电离和几何结构区分出来的.笔者主要利用飞秒激光器、超声分子束与飞行时间质谱相结合的方法，研究了CS2在波长800 nm，重复频率1 000 Hz、脉宽35 fs的飞秒激光场中的电子激发态的非次序双电离和多重电离诱导解离过程，实验中激光强度为1013～1015W/cm2数量级.电离解离过程形成的母体离子和碎片离子由飞行时间质谱仪来甄别.通过分析非次序双电离产额的激光强度依赖关系、极化效应、激光偏振度效应和多重电离诱导解离,并结合理论知识，研究了CS2分子在飞秒强激光场中的电离和解离机制.

1 实验装置和过程

如图1所示，整个实验系统主要包括飞秒激光系统、样品配置系统、时间顺序控制系统、直线式飞行时间质谱系统等.

图1 实验反应发生装置

实验所用的飞秒激光器重复频率为1 000 Hz、脉冲宽度约35 fs、中心波长为800 nm的线偏振光.实验时脉冲阀工作状态下，束源室气压为10-3Pa、电离室气压为10-5Pa.实验采用的是高压超声分子束，以氦气作为载气，按一定浓度混合装在与脉冲阀相连的不锈钢罐中，气体配完后通过脉冲阀向束源室喷出载带样品的气体，形成的超声分子束经过skimmer进行准直后飞入电离室，利用DG535控制脉冲宽度，并由此控制进样量.实验研究的CS2为液体样品，浓度高于99.5%.用氦气作为载气，利用鼓泡法将CS2带入实验用的不锈钢罐中，并稀释CS2在不锈钢罐中的浓度直至达到实验要求.配制的混合气经由DG535触发的脉冲阀使样品气体进入束源室，产生的分子束经直径1 mm的漏勺(Skimmer)准直后进入电离室，自由飞行约7 cm后，与经焦距为25 cm的透镜聚焦的800 nm飞秒激光束进行作用，产生离子碎片.各种离子经偏转电场进行偏转后，再经加速电场加速沿TOF管自由飞行，由粒子探测器进行接受.实验时，为获得高质量、高分辨率质谱信号，通过调试真空腔体中引出极、加速极和MCP的电压分别设定在1 470 V、1 150 V、-1 995 V，采集质谱信号时均平均2 000次.1 000 Hz的飞秒激光触发脉冲经由本实验组自主设计和组装的频率转换器(1 000 Hz→10 Hz)与DG535相连，并通过DG535控制脉冲阀触发脉冲和示波器采集触发脉冲，在很大程度上提高了信号的分辨率.

2 结果和分析

1)平行线偏振光(激光偏振方向与TOF轴平行)

图2是分子CS2在光强9.108×1014W/cm2作用下的飞行时间质谱，分子CS2电离产生了质荷比为76、38、32、25.3、16、12、10.7、8、6、4的各种离子，分别是CS2+、CS22+、S+、CS23+、S2+、C+、S3+、S4+、C2+、C3+，其中CS2+、CS22+信号较强，S+、CS23+、S2+、C+、S3+、S4+、C2+、C3+信号较弱.

2)电离解离通道随激光强度的变化

在平行线偏振光作用下，激光强度增强时，分子CS2电离产生的母体离子和碎片离子的信号强度会相应增大.通过调节飞秒激光的强度，观察不同激光强度对离子信号强度的影响，结果如图3所示.从图中可以清楚地看出，随着激光强度的逐渐增强，电离产生的各种碎片离子的质谱峰强度也在逐渐变强，其中S+、CS23+、S2+、C+、S3+、S4+、C2+、C3+等离子增长缓慢，CS2+和CS22+离子信号增长较快.

图2 分子CS2在平行偏振光下的飞行时间质谱

图3 水平线偏振方向与飞行方向平行的飞秒激光的 不同能量下CS2的质谱

图4选取了CS2+、CS22+、S+和C+4种离子，横轴为激光强度，纵轴为离子信号强度，显然，这4种离子信号强度都随激光强度增强而增大.

图4 水平线偏振激光场中CS2+、CS22+、 S+ 和 C+离子信号变化趋势

图5是CS2分子在平行线偏振和垂直线偏振两种情况下，激光能量为9.1×1014W/cm2时的飞行时间质谱.从图中可以清楚地看出，CS2分子分别在平行线偏振光、垂直线偏振光中的电离产生的离子碎片产物是不相同的，这是由于CS2分子在与激光作用时，库仑爆炸产生的离子碎片的角分布是各向异性的.同时，在平行线偏振方向的飞秒激光场中，S2+、S4+离子信号有三峰结构，中间的峰是由母体直接电离产生，两边的峰由库仑爆炸产生，S3+、S5+离子信号有双峰结构，是由库仑爆炸产生的.这说明在平行线偏振光中，有多个解离通道产生S2+、S4+、S3+、S5+离子.而在垂直线偏振激光的条件下，S2+、S4+离子信号都是单峰，S3+、S5+离子信号几乎看不到.显然，飞秒激光偏振方向发生变化时，在飞行时间质谱中碎片离子的信号峰的结构会有所不同，这是由分子的几何构型特征决定的，而母体离子CS2+、CS22+和CS23+信号峰的峰型结构和强度在平行线偏振光、垂直线偏振光作用下基本相同.

激光强度为9.108×1014 W/cm2图5 CS2分子在平行线偏振光和 垂直线偏振光下的飞行时间质谱

图6是CS2分子在平行线偏振、圆偏振，激光强度为9.108×1014W/cm2下的飞行时间质谱.圆偏振激光场中的碎片离子产物和平行线偏振激光场中碎片离子产物种类基本相同，只是强度有所不同.S2+、S4+离子信号都是三峰结构，平行线偏振光下中间峰的离子信号强度比圆偏振中强，S3+、S5+离子信号都是双峰结构，信号强度也基本一致.

图7是CS2+和CS22+在线偏振光、圆偏振光下的离子产额随光强的变化关系.随激光光强的增大，两者都有增大的趋势，且CS2+信号强度大于CS22+的信号强度.圆偏振光中的CS2+信号强度与线偏振光中的CS2+信号强度基本一样，随激光强度的变化趋势也基本一致.这说明在CS2的电离过程中单电子电离速率大于双电子电离速率，电离过程如下:

单电子电离：CS2+ laser → CS2++ e-;

双电子电离：CS2+ laser → CS22++ 2e-.

激光强度为9.108×1014 W/cm2图6 CS2分子在平行线偏振光和 圆振光下的飞行时间质谱

图7 CS2+、CS22+在线偏振光、圆偏振光下 的激光强度依赖关系

3 结论

分子结构相对于原子来说都比较复杂，导致分子在强激光场中的反应动力学行为更加复杂.研究原子、分子在强激光场中的非线性反应动力学，有助于人们深入了解物质内在的结构和性质，加快原子与分子物理相关理论更新的速度，推动激光技术在各个领域的应用.笔者采用高压脉冲分子束、800 nm飞秒激光和飞行时间质谱等实验技术，研究了CS2分子电子激发态的非次序双电离和多重电离诱导解离动力学.使用飞行时间质谱仪对光电离产物进行甄别，并结合相关的理论知识，分析了不同电子态的非次序双电离产额的激光强度依赖关系、极化效应、激光偏振度效应和多重电离诱导解离.我们的研究工作为更深入地研究原子和分子在强激光场中的反应动力学行为奠定了基础.