CO2分子在飞秒强激光场中的光电离实验研究

张 科，李兰兰，李 旺，余海军，郭大伟

(淮南师范学院 电子工程学院，安徽 淮南 232038)

0 引言

1 实验原理和装置

原子、分子在飞秒强激光场中的电离现象通常用有质动力能(Ponderomotive Energy)、库仑爆炸、Keldysh参数γ等参数来表征.分子与强激光场作用产生的高价母体离子之间由于库仑排斥力的作用，会发生瞬间爆炸现象，产生的离子信号质谱图像呈现双峰或多峰结构，即为库仑爆炸.在库仑爆炸过程中产生的能量则转化成碎片离子的平动能Ek：

(1)

其中q是离子的电荷数，Δt是两峰之间时间差，E是偏转电场的强度，m是离子的质量数.在飞秒强激光场中，电子的有质动力能公式为：

(2)

其中I为激光强度，λ为激光波长.研究发现随着激光光场强度的逐步提高，原子、分子在激光场中的电离机制也将发生转变.为了区别不同的电离机制，Keldysh基于假设势阱无限窄，提出了Keldysh系数γ：

(3)

其中，Ip为分子的电离势.根据Keldysh系数γ的取值，通常将分子在激光场中的电离机制分为三种情况：当γ>1时，多光子电离的几率将超过遂穿电离，在分子的电离过程中起主导作用； 当γ<1时，遂穿电离的几率将超过多光子电离占据主导作用；当γ=1时，两类电离同时存在，二者相互竞争.

图1 CO2分子的光电离实验装置

本研究装置主要包括配气系统、飞行时间质谱系统、真空腔体系统、延时调节系统和数据采集与处理系统等，如图1所示.

为减小真空腔体中残存气体的影响，将束源室、电离室真空度控制在1.0×10-6Pa，脉冲阀工作时，束源室的真空度控制在1.0×10-4Pa左右，电离室维持在1.0×10-5Pa左右.CO2分子在前置大气压推动下，借助于工作频率为10 Hz的脉冲阀进入真空腔体中的束源室形成超声脉冲分子束，经直径1 mm的Skimmer准直后进入电离室.800 nm飞秒激光由薄透镜聚焦后在真空腔体中的电离区与CO2分子的超声脉冲分子束发生作用.光电离产生的碎片离子在电场作用下经过引出极偏转、加速极加速后，沿直线飞行一段距离后到达离子探测器，接收到的各种碎片离子信号通过放大器传输到示波器.实验中为提高离子信号的信噪比，经过反复不断测试，最终设定引出极、加速极以及MCP负高压分别为1 470 V、1 150 V和-1 995 V.同时在进行质谱图像采集时，为提高离子信号的信噪比，将平均次数固定在3 000次.

2 实验结果与讨论

图2 CO2分子在平行线偏振光作用下激光强度为9.1×1014W/cm2时的质谱图

图3 CO2分子在平行线偏振光作用下不同激光强度时的质谱图

图4 水平线偏振激光场中 和C+离子信号变化趋势

为了研究CO2分子产生的碎片离子随激光偏振度的变化关系，分别采集了CO2分子在相同激光强度下，不同激光偏振方向下(平行线偏振、垂直线偏振和圆偏振)的飞行时间质谱，如图5和图6所示.

图5 CO2分子在激光强度为9.1×1014 W/cm2时(e)平行线偏振光和(f)垂直线振光下的飞行时间质谱

图5是CO2在平行线偏振、垂直线偏振，激光强度为9.1×1014W/cm2下的飞行时间质谱.从图中可以发现：平行线偏振光中得到的O+、O2+离子信号是三峰结构，O3+离子信号是双峰结构.而在垂直线偏振光中的O+、O2+离子信号是单峰结构，O3+离子信号很弱.然而，平行线偏振光中C+、C2+、C3+离子信号是单峰结构，垂直线偏振光中的C+、C2+、C3+离子信号峰型都很宽，有双峰结构的趋势.显然，平行线偏振光和垂直线偏振光对CO2分子电离有很大影响.图6是CO2分子在平行线偏振、圆偏振，激光强度为9.1×1014W/cm2下的飞行时间质谱.图中显示：平行线偏振光和圆偏振光中O+、O2+离子信号峰都是三峰结构，O3+离子信号峰都是双峰结构，且C+、C2+、C3+离子信号都是单峰结构，只是平行线偏振光中的离子信号强度比圆偏振光中对应的离子信号强度略强些.

图6 CO2分子在激光强度为9.1×1014 W/cm2时(g)平行线偏振光和(h)圆振光下的飞行时间质谱

同时由式(1)可以计算出平行线偏振光作用下，激光强度为9.1×1014W/cm2时，碎片离子O+、O2+、O3+的平动能如表1所示.

表1 离子O+、O2+、O3+的平动能

图在线偏振光、圆偏振光下的激光强度依赖关系

3 结论