【摘要】：隨著超快激光和粒子探測技術(shù)的迅猛發(fā)展,原子分子層面上微觀動力學(xué)過程的測量和調(diào)控逐漸成為可能。超快激光場作用下分子的動力學(xué)行為,諸如電離和解離等物理過程都依賴于分子軸的空間排列和取向。通常分子軸由于分子的熱運(yùn)動隨機(jī)分布,而光場與分子的相互作用發(fā)生在分子坐標(biāo)系,分子軸的隨機(jī)分布會給探測結(jié)果引入平均效應(yīng)。利用超快激光脈沖將分子在空間中排列甚至取向起來,使它們的分子軸朝向一致,可以有效避免由分子軸隨機(jī)分布引入的平均效應(yīng),獲得真實(shí)的分子響應(yīng)信號。因此,超快激光脈沖誘導(dǎo)分子排列和取向?qū)ρ芯吭S多基本物理問題都具有重要意義,例如分子軌道和結(jié)構(gòu)成像、化學(xué)反應(yīng)控制、非線性光學(xué)操控等。超快激光誘導(dǎo)分子排列該過程本身亦為研究分子的轉(zhuǎn)動動力學(xué)行為提供了重要手段。超快激光脈沖與分子相互作用,激發(fā)產(chǎn)生的相干轉(zhuǎn)動波包在無外場條件下周期性地出現(xiàn)排列和反排列,極大地拓展了分子排列的實(shí)際應(yīng)用范疇。同時(shí),冷靶反沖離子動量譜儀的多粒子符合探測技術(shù),為直接觀測分子微觀動力學(xué)時(shí)空演化行為提供了有力的工具。本論文聚焦飛秒激光脈沖驅(qū)動的分子轉(zhuǎn)動波包復(fù)雜動力學(xué)行為的精密測量與調(diào)控,主要的研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)包括以下三個(gè)方面:(一)分子單向旋轉(zhuǎn)波包的時(shí)空演化成像傳統(tǒng)的激光誘導(dǎo)分子排列只能控制分子軸的空間朝向,而不能控制分子的轉(zhuǎn)動方向。利用兩束時(shí)間延遲、偏振交叉的飛秒脈沖,能夠?qū)崿F(xiàn)對分子轉(zhuǎn)動方向和速度的精密操控。通過在第一束飛秒脈沖引起的無外場排列或者反排列峰值時(shí)刻施加第二束偏振夾角為±45°的旋轉(zhuǎn)脈沖,選擇性地激發(fā)分子沿著順時(shí)針或者逆時(shí)針方向單向旋轉(zhuǎn)。利用自主發(fā)展的飛秒符合庫侖爆炸成像技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對分子單向旋轉(zhuǎn)波包的時(shí)空演化成像,揭示了傳統(tǒng)光學(xué)方法無法分辨的動力學(xué)過程。(二)分子排列回聲的精密測量與調(diào)控兩束時(shí)間延遲的飛秒脈沖不僅可以控制分子的單向旋轉(zhuǎn),還能激發(fā)分子排列回聲現(xiàn)象。當(dāng)?shù)诙w秒脈沖作用于轉(zhuǎn)動波函數(shù)退相的“經(jīng)典區(qū)間”時(shí),分子除了受激響應(yīng)兩束飛秒脈沖產(chǎn)生瞬時(shí)排列,還會在回聲脈沖結(jié)束后產(chǎn)生一系列時(shí)間間隔等于兩束飛秒脈沖延時(shí)的周期性自發(fā)排列,即分子的排列回聲。利用飛秒符合庫侖爆炸成像技術(shù),系統(tǒng)研究了分子排列的整周期回聲、分?jǐn)?shù)周期回聲,并且在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了高階分?jǐn)?shù)回聲、虛擬回聲和轉(zhuǎn)動回聲這三種全新的分子排列回聲現(xiàn)象。高階分?jǐn)?shù)回聲與自由電子激光器的原理有著緊密的聯(lián)系,該發(fā)現(xiàn)為產(chǎn)生超高次諧波提供了新的直觀圖像。而轉(zhuǎn)動回聲是一種空間與時(shí)間糾纏在一起的回聲信號,通過改變第二束激光的偏振,可以實(shí)現(xiàn)對排列回聲時(shí)空特性的操控。通常認(rèn)為回聲信號只能出現(xiàn)在激發(fā)脈沖之后,而虛擬回聲出現(xiàn)在激發(fā)脈沖之前。利用分子排列周期這種量子力學(xué)現(xiàn)象,實(shí)驗(yàn)觀測到了“負(fù)”時(shí)間延遲處的虛擬回聲信號。(三)不對稱陀螺分子的全光三維空間取向非線性分子尤其是不對稱陀螺分子的無外場三維空間取向,是激光誘導(dǎo)分子排列和取向領(lǐng)域極富挑戰(zhàn)性的工作。實(shí)驗(yàn)上,創(chuàng)新性地提出利用交叉偏振的雙色飛秒脈沖來實(shí)現(xiàn)不對稱陀螺分子的全光無外場三維空間取向。以SO_2分子為例,將雙色場的基頻光和倍頻光設(shè)置為正交偏振,改變它們的光強(qiáng)比來匹配SO_2分子的極化分量,實(shí)現(xiàn)了氧軸沿著基頻光偏振方向排列,硫軸沿著倍頻光偏振方向取向的無外場三維空間取向。調(diào)節(jié)雙色場的相對相位,可以改變SO_2分子取向的空間朝向。通過改變基頻光和倍頻光的光強(qiáng)比和偏振夾角,可以將該技術(shù)推廣至其他具有相似對稱性的不對稱陀螺分子,為復(fù)雜分子的全光三維空間取向提供了新的思路。
【圖文】：

器核糖體結(jié)構(gòu)方面做出的杰出工作共同分享了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)[1ath 的突出貢獻(xiàn)正是成功制作了核糖體結(jié)晶，為后續(xù)的 X 射線了基礎(chǔ)[2]。隨著自由電子激光器的發(fā)展，單分子層面的衍射成能[3]。對于液相甚至氣相樣品，分子無規(guī)則分布導(dǎo)致的平均效圖案，，降低信號強(qiáng)度和分辨率，給反演過程帶來困難。另一方子靶向受體的生化反應(yīng)過程中，當(dāng)受體與藥物分子的活性基團(tuán)合時(shí)，能夠極大地提高靶向幾率，從而提高療效。因此，在這些人員希望能夠操控分子軸的空間朝向使其沿著特定角度分布。當(dāng)分子軸的空間朝向具有某一方向的“偏好”，即分子軸的空間向異性時(shí)，分子便沿著該方向排列了起來[4-7]。為了和分子取，以 CO 分子為例，分子隨機(jī)分布、分子排列和分子取向的示示。

一般只考慮極化作用。光場和分子誘導(dǎo)偶極矩相互作用的原理如圖 12(a)所示。光場在平行和垂直于分子軸方向同時(shí)產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極矩，分子受到方向相反的扭矩，分別如(1.2)和(1.3)式所示，其中 和 分別表示平行和垂直于分子軸方向的極化率， 為分子軸和激光偏振方向的夾角。 д д д ě (1.2) д д д ě (1.3)由于沿著分子軸方向和垂直于分子軸方向的極化率差異，分子發(fā)生轉(zhuǎn)動。 和 差值越大，分子受到的凈扭矩越大。如果 ，平行和垂直于分子軸方向的扭矩相等，分子不發(fā)生轉(zhuǎn)動。當(dāng)交流電場改變方向時(shí)，由于誘導(dǎo)偶極矩是光場和電子相互作用產(chǎn)生的瞬時(shí)響應(yīng)，分子誘導(dǎo)偶極矩的方向也隨之改變，而電場和誘導(dǎo)偶極矩叉乘得到的扭矩方向保持不變，分子始終轉(zhuǎn)向激光的偏振方向，避免了周期平均效應(yīng)。
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN249

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本文編號：2601543