分子转动动力学超快测量与调控

发布时间：2020-03-26 14:01

【摘要】：随着超快激光和粒子探测技术的迅猛发展,原子分子层面上微观动力学过程的测量和调控逐渐成为可能。超快激光场作用下分子的动力学行为,诸如电离和解离等物理过程都依赖于分子轴的空间排列和取向。通常分子轴由于分子的热运动随机分布,而光场与分子的相互作用发生在分子坐标系,分子轴的随机分布会给探测结果引入平均效应。利用超快激光脉冲将分子在空间中排列甚至取向起来,使它们的分子轴朝向一致,可以有效避免由分子轴随机分布引入的平均效应,获得真实的分子响应信号。因此,超快激光脉冲诱导分子排列和取向对研究许多基本物理问题都具有重要意义,例如分子轨道和结构成像、化学反应控制、非线性光学操控等。超快激光诱导分子排列该过程本身亦为研究分子的转动动力学行为提供了重要手段。超快激光脉冲与分子相互作用,激发产生的相干转动波包在无外场条件下周期性地出现排列和反排列,极大地拓展了分子排列的实际应用范畴。同时,冷靶反冲离子动量谱仪的多粒子符合探测技术,为直接观测分子微观动力学时空演化行为提供了有力的工具。本论文聚焦飞秒激光脉冲驱动的分子转动波包复杂动力学行为的精密测量与调控,主要的研究内容和创新点包括以下三个方面:(一)分子单向旋转波包的时空演化成像传统的激光诱导分子排列只能控制分子轴的空间朝向,而不能控制分子的转动方向。利用两束时间延迟、偏振交叉的飞秒脉冲,能够实现对分子转动方向和速度的精密操控。通过在第一束飞秒脉冲引起的无外场排列或者反排列峰值时刻施加第二束偏振夹角为±45°的旋转脉冲,选择性地激发分子沿着顺时针或者逆时针方向单向旋转。利用自主发展的飞秒符合库仑爆炸成像技术,实现了对分子单向旋转波包的时空演化成像,揭示了传统光学方法无法分辨的动力学过程。(二)分子排列回声的精密测量与调控两束时间延迟的飞秒脉冲不仅可以控制分子的单向旋转,还能激发分子排列回声现象。当第二束飞秒脉冲作用于转动波函数退相的“经典区间”时,分子除了受激响应两束飞秒脉冲产生瞬时排列,还会在回声脉冲结束后产生一系列时间间隔等于两束飞秒脉冲延时的周期性自发排列,即分子的排列回声。利用飞秒符合库仑爆炸成像技术,系统研究了分子排列的整周期回声、分数周期回声,并且在实验上发现了高阶分数回声、虚拟回声和转动回声这三种全新的分子排列回声现象。高阶分数回声与自由电子激光器的原理有着紧密的联系,该发现为产生超高次谐波提供了新的直观图像。而转动回声是一种空间与时间纠缠在一起的回声信号,通过改变第二束激光的偏振,可以实现对排列回声时空特性的操控。通常认为回声信号只能出现在激发脉冲之后,而虚拟回声出现在激发脉冲之前。利用分子排列周期这种量子力学现象,实验观测到了“负”时间延迟处的虚拟回声信号。(三)不对称陀螺分子的全光三维空间取向非线性分子尤其是不对称陀螺分子的无外场三维空间取向,是激光诱导分子排列和取向领域极富挑战性的工作。实验上,创新性地提出利用交叉偏振的双色飞秒脉冲来实现不对称陀螺分子的全光无外场三维空间取向。以SO_2分子为例,将双色场的基频光和倍频光设置为正交偏振,改变它们的光强比来匹配SO_2分子的极化分量,实现了氧轴沿着基频光偏振方向排列,硫轴沿着倍频光偏振方向取向的无外场三维空间取向。调节双色场的相对相位,可以改变SO_2分子取向的空间朝向。通过改变基频光和倍频光的光强比和偏振夹角,可以将该技术推广至其他具有相似对称性的不对称陀螺分子,为复杂分子的全光三维空间取向提供了新的思路。
【图文】：

示意图,随机分布,分子,示意图

器核糖体结构方面做出的杰出工作共同分享了诺贝尔化学奖[1ath 的突出贡献正是成功制作了核糖体结晶，为后续的 X 射线了基础[2]。随着自由电子激光器的发展，单分子层面的衍射成能[3]。对于液相甚至气相样品，分子无规则分布导致的平均效图案，，降低信号强度和分辨率，给反演过程带来困难。另一方子靶向受体的生化反应过程中，当受体与药物分子的活性基团合时，能够极大地提高靶向几率，从而提高疗效。因此，在这些人员希望能够操控分子轴的空间朝向使其沿着特定角度分布。当分子轴的空间朝向具有某一方向的“偏好”，即分子轴的空间向异性时，分子便沿着该方向排列了起来[4-7]。为了和分子取，以 CO 分子为例，分子随机分布、分子排列和分子取向的示示。

相互作用势能,分子排列,激光诱导,光场

一般只考虑极化作用。光场和分子诱导偶极矩相互作用的原理如图 12(a)所示。光场在平行和垂直于分子轴方向同时产生诱导偶极矩，分子受到方向相反的扭矩，分别如(1.2)和(1.3)式所示，其中和分别表示平行和垂直于分子轴方向的极化率，为分子轴和激光偏振方向的夹角。 д д д ě (1.2) д д д ě (1.3)由于沿着分子轴方向和垂直于分子轴方向的极化率差异，分子发生转动。和差值越大，分子受到的净扭矩越大。如果，平行和垂直于分子轴方向的扭矩相等，分子不发生转动。当交流电场改变方向时，由于诱导偶极矩是光场和电子相互作用产生的瞬时响应，分子诱导偶极矩的方向也随之改变，而电场和诱导偶极矩叉乘得到的扭矩方向保持不变，分子始终转向激光的偏振方向，避免了周期平均效应。
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN249

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