基于高次谐波的分子轨道层析成像实验研究
发布时间：2020-10-24 22:31
分子轨道成像不仅可以帮助人们直观地认识分子内部结构,并且可以帮助人们深刻地理解分子动力学过程以及化学反应过程。尽管在过去的几十年中,人们在成像技术方面取得了巨大的进步,并且获得了很好的空间分辨率,但是,时间分辨率一直停留在几十甚至上百飞秒。近年来,一种基于高次谐波的成像方法应运而生。这种方法通过测量激光与物质相互作用产生的高次谐波,可以对分子轨道进行成像,即分子轨道层析成像。令人惊喜的是,分子轨道层析成像技术得到的是轨道波函数本身,打破了人们对波函数不可测量的认知。此外,分子轨道层析成像技术最大的潜在应用是获取实时演化的分子轨道,即以前所未有的阿秒时间和埃空间分辨率为变化的分子结构拍摄分子电影。拍摄分子电影的关键是为分子轨道有效拍摄高帧率的照片。然而,为分子轨道拍摄高帧率照片目前存在着几个方面的障碍:一是在以往的工作中,没有考虑库仑势对分子轨道层析成像的影响;二是实验上测量高次谐波相位的技术极其复杂;三是多发实验测量从本质上制约着实时成像。针对上述问题,本文的主要研究内容如下:(1)实验研究了库仑修正的分子轨道层析成像方案。利用双中心库仑波函数代替平面波来描述连续态电子波包。实验结果显示,利用库仑修正的分子轨道层析成像方案重构的分子轨道,有效地消除了平面波近似引起的人为误差,明显提升了重构结果的质量。利用双中心库仑波函数代替平面波来描述连续态电子波包提供了一种更加精确的分子轨道层析成像的方案,夯实了基于高次谐波的分子轨道层析成像的理论基础。(2)提出并在实验上验证了一种全新的分子轨道层析成像方案——基于衍射的分子轨道层析成像。通过将相干衍射成像技术和分子轨道层析成像技术相结合,可以直接从高次谐波强度谱中重构分子轨道,而不必获取任何先验相位信息。实验结果显示,N_2、CO_2、C_2H_2等具有不同对称性的分子轨道均可以使用基于衍射的分子轨道层析成像方案进行重构。基于衍射的分子轨道层析成像方案规避了测量高次谐波相位的难题,明显简化了分子轨道层析成像的实验操作,为重构复杂结构分子轨道提供了一种有效途径。(3)首次实现了基于高次谐波的单发分子轨道层析成像。研究了电离电子在正交双色激光场中的运动状态。数值仿真结果表明,正交双色激光场可以有效控制电子的二维运动轨迹,使得不同动量的回复电子以不同回复角向母核回复,进而实现单发分子轨道层析成像。在原理性验证实验中,利用单发分子轨道层析成像方案成功重构了N_2分子轨道。单发分子轨道层析成像技术克服了实验上必须多发测量才能重构分子轨道的瓶颈。朝着实现实时跟踪能量和电荷在分子体系内的转移,观察化学键的合成与断裂过程,以及追踪分子结构重排过程的目标迈出了重要的一步。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O561
【部分图文】：
华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文亚埃量级，时间尺度为几十阿秒到几十飞秒（Femtosecond，fs，10-15s），电子运动的了解是解释所有物理、化学和生物现象的基础[10-17]。因此，将间分辨率和阿秒时间分辨率进行结合，即超快四维成像技术[18, 19]，有望实现了解和掌握微观世界中极端超快现象的梦想。长期以来，为了获得更高的时空间分辨率，捕捉更快的物理过程，研究者们致力于产生持续时间更短的冲。直到输出脉冲宽度（Full width at half-maximum，FWHM）为飞秒量光器出现，为人们提供了强大的研究手段，可以在原子尺度探测原子、分动力学过程。自此，电子超快动力学过程的神秘面纱也正在逐渐被研究者们。
几百微秒（Microseconds，μs，10s）的激光脉冲，从此开启了激光时门。一年之后，R.W. Hellwarth 发明的调 Q 技术（Q-switching）[24]使激光度降低了四个数量级，获得了脉冲宽度为纳秒（Nanosecond，ns，10-9s）激光脉冲。随后，随着激光锁模技术（Mode locking）的发展[25, 26]和激光质的应用[27]，激光脉冲宽度又降低了四个数量级，人们可以获得脉冲宽度（Picosecond，ps，10-12s）甚至亚皮秒量级的激光脉冲。1985 年，随着冲放大技术（Chirped pulse amplification，CPA）[28, 29]的发展，激光技术取破性的进展，人们获得了脉冲宽度为飞秒量级可聚焦功率密度超过 1015W级的超短脉冲。同时，掺钛蓝宝石（Ti: Sapphire）作为激光增益介质[30-32]，实现了激光辐射脉冲中心波长位于 800 纳米左右，并且在 680 纳米到 米之间连续可调。由于本身就拥有良好的物理和化学性质，钛蓝宝石被誉秀的超快激光光源，钛蓝宝石激光技术也因此被誉为激光器发展中的革命。如图 1-2 所示为激光脉冲宽度随时间的推进。
图 1-3 激光脉冲聚焦功率密度随时间的推进历程[48]。子内部，以氢原子为例，基态玻尔轨道上库仑场所对应的功率密度为 3.5×1/cm2，远低于实验室所能达到的激光最大聚焦功率密度。如此极端的激光条原子、分子相互作用，会发生一系列无法利用微扰理论解释的物理现象。图 示为不同激光强度下的分子行为，随激光强度增加依次为激光诱导分子排Molecular alignment）、分子结构变化（Structural deformation）、库仑爆Coulomb explosion）、X 射线辐射（X-ray emission）和核聚变（Nuclear fusion
【参考文献】
本文编号：2855063
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O561
【部分图文】：
华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文亚埃量级，时间尺度为几十阿秒到几十飞秒（Femtosecond，fs，10-15s），电子运动的了解是解释所有物理、化学和生物现象的基础[10-17]。因此，将间分辨率和阿秒时间分辨率进行结合，即超快四维成像技术[18, 19]，有望实现了解和掌握微观世界中极端超快现象的梦想。长期以来，为了获得更高的时空间分辨率，捕捉更快的物理过程，研究者们致力于产生持续时间更短的冲。直到输出脉冲宽度（Full width at half-maximum，FWHM）为飞秒量光器出现，为人们提供了强大的研究手段，可以在原子尺度探测原子、分动力学过程。自此，电子超快动力学过程的神秘面纱也正在逐渐被研究者们。
几百微秒（Microseconds，μs，10s）的激光脉冲，从此开启了激光时门。一年之后，R.W. Hellwarth 发明的调 Q 技术（Q-switching）[24]使激光度降低了四个数量级，获得了脉冲宽度为纳秒（Nanosecond，ns，10-9s）激光脉冲。随后，随着激光锁模技术（Mode locking）的发展[25, 26]和激光质的应用[27]，激光脉冲宽度又降低了四个数量级，人们可以获得脉冲宽度（Picosecond，ps，10-12s）甚至亚皮秒量级的激光脉冲。1985 年，随着冲放大技术（Chirped pulse amplification，CPA）[28, 29]的发展，激光技术取破性的进展，人们获得了脉冲宽度为飞秒量级可聚焦功率密度超过 1015W级的超短脉冲。同时，掺钛蓝宝石（Ti: Sapphire）作为激光增益介质[30-32]，实现了激光辐射脉冲中心波长位于 800 纳米左右，并且在 680 纳米到 米之间连续可调。由于本身就拥有良好的物理和化学性质，钛蓝宝石被誉秀的超快激光光源，钛蓝宝石激光技术也因此被誉为激光器发展中的革命。如图 1-2 所示为激光脉冲宽度随时间的推进。
图 1-3 激光脉冲聚焦功率密度随时间的推进历程[48]。子内部，以氢原子为例，基态玻尔轨道上库仑场所对应的功率密度为 3.5×1/cm2，远低于实验室所能达到的激光最大聚焦功率密度。如此极端的激光条原子、分子相互作用，会发生一系列无法利用微扰理论解释的物理现象。图 示为不同激光强度下的分子行为，随激光强度增加依次为激光诱导分子排Molecular alignment）、分子结构变化（Structural deformation）、库仑爆Coulomb explosion）、X 射线辐射（X-ray emission）和核聚变（Nuclear fusion
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 倪元龙,毛楚生,吴江,余松玉,周正良,傅思祖,顾援,王世绩;平焦场光栅光谱仪[J];强激光与粒子束;1991年02期
本文编号：2855063
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