分子軌道成像不僅可以幫助人們直觀地認(rèn)識(shí)分子內(nèi)部結(jié)構(gòu),并且可以幫助人們深刻地理解分子動(dòng)力學(xué)過(guò)程以及化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。盡管在過(guò)去的幾十年中,人們?cè)诔上窦夹g(shù)方面取得了巨大的進(jìn)步,并且獲得了很好的空間分辨率,但是,時(shí)間分辨率一直停留在幾十甚至上百飛秒。近年來(lái),一種基于高次諧波的成像方法應(yīng)運(yùn)而生。這種方法通過(guò)測(cè)量激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的高次諧波,可以對(duì)分子軌道進(jìn)行成像,即分子軌道層析成像。令人驚喜的是,分子軌道層析成像技術(shù)得到的是軌道波函數(shù)本身,打破了人們對(duì)波函數(shù)不可測(cè)量的認(rèn)知。此外,分子軌道層析成像技術(shù)最大的潛在應(yīng)用是獲取實(shí)時(shí)演化的分子軌道,即以前所未有的阿秒時(shí)間和�？臻g分辨率為變化的分子結(jié)構(gòu)拍攝分子電影。拍攝分子電影的關(guān)鍵是為分子軌道有效拍攝高幀率的照片。然而,為分子軌道拍攝高幀率照片目前存在著幾個(gè)方面的障礙:一是在以往的工作中,沒(méi)有考慮庫(kù)侖勢(shì)對(duì)分子軌道層析成像的影響;二是實(shí)驗(yàn)上測(cè)量高次諧波相位的技術(shù)極其復(fù)雜;三是多發(fā)實(shí)驗(yàn)測(cè)量從本質(zhì)上制約著實(shí)時(shí)成像。針對(duì)上述問(wèn)題,本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)實(shí)驗(yàn)研究了庫(kù)侖修正的分子軌道層析成像方案。利用雙中心庫(kù)侖波函數(shù)代替平面波來(lái)描述連續(xù)態(tài)電子波包。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,利用庫(kù)侖修正的分子軌道層析成像方案重構(gòu)的分子軌道,有效地消除了平面波近似引起的人為誤差,明顯提升了重構(gòu)結(jié)果的質(zhì)量。利用雙中心庫(kù)侖波函數(shù)代替平面波來(lái)描述連續(xù)態(tài)電子波包提供了一種更加精確的分子軌道層析成像的方案,夯實(shí)了基于高次諧波的分子軌道層析成像的理論基礎(chǔ)。(2)提出并在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了一種全新的分子軌道層析成像方案——基于衍射的分子軌道層析成像。通過(guò)將相干衍射成像技術(shù)和分子軌道層析成像技術(shù)相結(jié)合,可以直接從高次諧波強(qiáng)度譜中重構(gòu)分子軌道,而不必獲取任何先驗(yàn)相位信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,N_2、CO_2、C_2H_2等具有不同對(duì)稱(chēng)性的分子軌道均可以使用基于衍射的分子軌道層析成像方案進(jìn)行重構(gòu)�；谘苌涞姆肿榆壍缹游龀上穹桨敢�(guī)避了測(cè)量高次諧波相位的難題,明顯簡(jiǎn)化了分子軌道層析成像的實(shí)驗(yàn)操作,為重構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)分子軌道提供了一種有效途徑。(3)首次實(shí)現(xiàn)了基于高次諧波的單發(fā)分子軌道層析成像。研究了電離電子在正交雙色激光場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。數(shù)值仿真結(jié)果表明,正交雙色激光場(chǎng)可以有效控制電子的二維運(yùn)動(dòng)軌跡,使得不同動(dòng)量的回復(fù)電子以不同回復(fù)角向母核回復(fù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單發(fā)分子軌道層析成像。在原理性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中,利用單發(fā)分子軌道層析成像方案成功重構(gòu)了N_2分子軌道。單發(fā)分子軌道層析成像技術(shù)克服了實(shí)驗(yàn)上必須多發(fā)測(cè)量才能重構(gòu)分子軌道的瓶頸。朝著實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤能量和電荷在分子體系內(nèi)的轉(zhuǎn)移,觀察化學(xué)鍵的合成與斷裂過(guò)程,以及追蹤分子結(jié)構(gòu)重排過(guò)程的目標(biāo)邁出了重要的一步。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：O561
【部分圖文】：

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文亞埃量級(jí)，時(shí)間尺度為幾十阿秒到幾十飛秒（Femtosecond，fs，10-15s），電子運(yùn)動(dòng)的了解是解釋所有物理、化學(xué)和生物現(xiàn)象的基礎(chǔ)[10-17]。因此，將間分辨率和阿秒時(shí)間分辨率進(jìn)行結(jié)合，即超快四維成像技術(shù)[18, 19]，有望實(shí)現(xiàn)了解和掌握微觀世界中極端超快現(xiàn)象的夢(mèng)想。長(zhǎng)期以來(lái)，為了獲得更高的時(shí)空間分辨率，捕捉更快的物理過(guò)程，研究者們致力于產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間更短的沖。直到輸出脈沖寬度（Full width at half-maximum，F(xiàn)WHM）為飛秒量光器出現(xiàn)，為人們提供了強(qiáng)大的研究手段，可以在原子尺度探測(cè)原子、分動(dòng)力學(xué)過(guò)程。自此，電子超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程的神秘面紗也正在逐漸被研究者們。

幾百微秒（Microseconds，μs，10s）的激光脈沖，從此開(kāi)啟了激光時(shí)門(mén)。一年之后，R.W. Hellwarth 發(fā)明的調(diào) Q 技術(shù)（Q-switching）[24]使激光度降低了四個(gè)數(shù)量級(jí)，獲得了脈沖寬度為納秒（Nanosecond，ns，10-9s）激光脈沖。隨后，隨著激光鎖模技術(shù)（Mode locking）的發(fā)展[25, 26]和激光質(zhì)的應(yīng)用[27]，激光脈沖寬度又降低了四個(gè)數(shù)量級(jí)，人們可以獲得脈沖寬度（Picosecond，ps，10-12s）甚至亞皮秒量級(jí)的激光脈沖。1985 年，隨著沖放大技術(shù)（Chirped pulse amplification，CPA）[28, 29]的發(fā)展，激光技術(shù)取破性的進(jìn)展，人們獲得了脈沖寬度為飛秒量級(jí)可聚焦功率密度超過(guò) 1015W級(jí)的超短脈沖。同時(shí)，摻鈦藍(lán)寶石（Ti: Sapphire）作為激光增益介質(zhì)[30-32]，實(shí)現(xiàn)了激光輻射脈沖中心波長(zhǎng)位于 800 納米左右，并且在 680 納米到 米之間連續(xù)可調(diào)。由于本身就擁有良好的物理和化學(xué)性質(zhì)，鈦藍(lán)寶石被譽(yù)秀的超快激光光源，鈦藍(lán)寶石激光技術(shù)也因此被譽(yù)為激光器發(fā)展中的革命。如圖 1-2 所示為激光脈沖寬度隨時(shí)間的推進(jìn)。

圖 1-3 激光脈沖聚焦功率密度隨時(shí)間的推進(jìn)歷程[48]。子內(nèi)部，以氫原子為例，基態(tài)玻爾軌道上庫(kù)侖場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的功率密度為 3.5×1/cm2，遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)室所能達(dá)到的激光最大聚焦功率密度。如此極端的激光條原子、分子相互作用，會(huì)發(fā)生一系列無(wú)法利用微擾理論解釋的物理現(xiàn)象。圖 示為不同激光強(qiáng)度下的分子行為，隨激光強(qiáng)度增加依次為激光誘導(dǎo)分子排Molecular alignment）、分子結(jié)構(gòu)變化（Structural deformation）、庫(kù)侖爆Coulomb explosion）、X 射線(xiàn)輻射（X-ray emission）和核聚變（Nuclear fusion
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 倪元龍,毛楚生,吳江,余松玉,周正良,傅思祖,顧援,王世績(jī);平焦場(chǎng)光柵光譜儀[J];強(qiáng)激光與粒子束;1991年02期

本文編號(hào)：2855063