張 帥 江文斌 王新成 江玉海, 朱志遠(yuǎn),

1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800）

2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

3（中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院 上海 201204）

4（上海科技大學(xué) 上海 201210）

近二十年來(lái)，隨著成像技術(shù)的快速發(fā)展［1-2］，利用高電荷態(tài)離子［3-5］、電子［6-7］、自由電子激光脈沖［8-10］以及強(qiáng)激光場(chǎng)［11-12］的碰撞實(shí)驗(yàn)，揭示雙原子分子［13-15］和多原子分子［16-18］的碎裂動(dòng)力學(xué)機(jī)制。這一領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)是：理解分子鍵斷裂的選擇性和闡明哪些參數(shù)控制鍵裂變，以實(shí)現(xiàn)在飛秒時(shí)間尺度和原子分子空間尺度上探索和操縱特殊環(huán)境下量子態(tài)的演化，這在量子信息、凝聚態(tài)、半導(dǎo)體材料、生物醫(yī)學(xué)、能源環(huán)境等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。其中，CO2碎裂動(dòng)力學(xué)過(guò)程已經(jīng)引起了研究人員的廣泛關(guān)注［19-22］，不僅由于其分子結(jié)構(gòu)是一種簡(jiǎn)單的線性三原子分子，在三原子分子中的動(dòng)力學(xué)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，而且它還是地球上溫室氣體中最重要的組成部分［23］，也是人類社會(huì)在工業(yè)生產(chǎn)和能源活動(dòng)排放的主要?dú)怏w，嚴(yán)重影響全球生態(tài)平衡。在火星和金星等行星大氣中，CO2分子也是主要的化合物之一。

目前，CO2的兩體碎裂動(dòng)力學(xué)過(guò)程的研究主要聚焦于CO22+→CO++O+通道上。Alagia等［24］利用同步輻射光源已經(jīng)對(duì)CO22+→CO++O+通道的三個(gè)光電離解離過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了光電離解離過(guò)程的發(fā)生依賴于亞穩(wěn)態(tài)（CO22+）*離子的存活時(shí)間。Sharma等［25］在電子碰撞實(shí)驗(yàn)中也觀察到了CO22+→CO++O+通道中（CO22+）*離子的亞穩(wěn)態(tài)衰變，并利用含時(shí)的量子力學(xué)波包方法得到了通道的動(dòng)能釋放（Kinetic Energy Release，KER）譜，其理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。此外，Erattupuzha等［26］通過(guò)兩個(gè)不同峰值強(qiáng)度的延遲激光脈沖序列，在CO2不同的順序雙電離路徑中，對(duì)發(fā)生在中間狀態(tài)的分子動(dòng)力學(xué)進(jìn)行精確控制，并從CO22+和CO（+O+）的產(chǎn)率中觀測(cè)到了不同分子動(dòng)力學(xué)過(guò)程。在最近的研究中，胡洪濤等［27］在激光誘導(dǎo)的CO2雙電離解離過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了CO22+→CO++O+通道在發(fā)生之后，CO+和O+離子碎片有一定的概率與之前電離后的電子復(fù)合，形成激發(fā)態(tài)中性粒子CO*或者O*，測(cè)量結(jié)果表明，第二個(gè)被電離的電子復(fù)合概率是第一個(gè)被電離電子的三倍。

對(duì)于多原子分子的多體碎裂動(dòng)力學(xué)分析是非常復(fù)雜的，它既可以通過(guò)非順序碎裂過(guò)程（所有化學(xué)鍵同時(shí)斷裂），也可以通過(guò)順序碎裂過(guò)程（化學(xué)鍵分步斷裂）。在CO2分子與電子［28］、離子［29］或光子［21］碰撞實(shí)驗(yàn)中，均觀測(cè)到了CO23+→O++C++O+通道中順序和非順序碎裂過(guò)程。而CO24+的三體碎裂過(guò)程在電子碰撞與離子碰撞中存在明顯的差異，王恩亮等［7］利用能量為500 eV的電子對(duì)CO24+的三體碎裂做了細(xì)致的研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CO24+→O++C2++O+和CO24+→O2++C++O+通道沒(méi)有明顯的順序碎裂過(guò)程。但Khan等［5］在高電荷離子碰撞實(shí)驗(yàn)中，卻觀測(cè)到了CO24+→O2++C++O+通道的順序碎裂過(guò)程。這是由于離子與分子相互作用后，一個(gè)或者多個(gè)束縛態(tài)電子可以通過(guò)不同過(guò)程從分子中電離，即靶電離、炮彈電離、電子俘獲和轉(zhuǎn)移電離等，不同的電離過(guò)程是導(dǎo)致發(fā)生不同解離機(jī)制的關(guān)鍵因素。隨后，吳成印等［30］通過(guò)強(qiáng)激光場(chǎng)誘導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究了CO2q（+q=3～6）在一些對(duì)稱通道的碎裂動(dòng)力學(xué)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)CO2q（+q=4～6）順序碎裂過(guò)程的證據(jù)。然而，在強(qiáng)激光場(chǎng)誘導(dǎo)CO2解離實(shí)驗(yàn)中，CO24+→O2++C++O+通道以及更高電荷態(tài)的碎裂動(dòng)力學(xué)的研究仍然較少。

本文的工作是從實(shí)驗(yàn)上研究利用強(qiáng)飛秒激光場(chǎng)誘導(dǎo)的CO2q（+q≤4）庫(kù)侖爆炸過(guò)程。我們通過(guò)符合測(cè)量技術(shù)確定了4個(gè)兩體解離通道和低電荷態(tài)下的3個(gè)三體解離通道。根據(jù)CO2分子的線性幾何結(jié)構(gòu)，首先利用兩個(gè)O離子之間的關(guān)聯(lián)性確定了順序碎裂和非順序碎裂過(guò)程；其次通過(guò)牛頓圖更好地展現(xiàn)了庫(kù)侖爆炸過(guò)程，并確定了CO24+的順序碎裂分子鍵的選擇機(jī)制。最后，我們利用動(dòng)量譜儀［31］獲得的離子碎片動(dòng)量矢量和TOF計(jì)算各個(gè)通道的KER分布。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

所有實(shí)驗(yàn)工作均在本實(shí)驗(yàn)室新研制的冷靶反沖離 子 動(dòng) 量 譜 儀［32］（COLd-Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy，COLTRIMS）進(jìn)行。如圖1所示，CO2氣體通過(guò)由一個(gè)50 μm的噴嘴以及兩個(gè)尖端孔徑分別為0.2 mm和0.4 mm的Skimmer組成的超音速氣體噴射系統(tǒng)到達(dá)背景氣壓為2.0×10-8Pa的反應(yīng)腔，這樣得到的氣體靶密度約為108N·cm-3，并使得平均每個(gè)激光脈沖至多與一個(gè)CO2分子發(fā)生相互作用，確保碎裂后的離子碎片來(lái)自同一個(gè)母體離子。另一方面，采用波長(zhǎng)為800 nm、脈沖持續(xù)時(shí)間為35 fs、重復(fù)頻率為1 kHz、由鈦藍(lán)寶石多通道放大系統(tǒng)提供線偏振激光脈沖，并經(jīng)過(guò)一個(gè)焦距為250 mm的凸透鏡將激光脈沖聚焦到反應(yīng)腔的分子束上，其在焦點(diǎn)處的峰值強(qiáng)度約為1015W·cm-2。其中，激光傳播方向、分子束方向和TOF方向分別記為空間坐標(biāo)的X、Y和Z方向，激光沿Y方向偏振。當(dāng)強(qiáng)激光場(chǎng)與CO2分子在焦點(diǎn)處相互作用時(shí)，分子內(nèi)的電子有很大的概率被剝離出去，發(fā)生電離過(guò)程。而一部分CO2q+分子離子在強(qiáng)激光場(chǎng)的作用下進(jìn)一步分裂成兩個(gè)或三個(gè)離子碎片，發(fā)生著名的庫(kù)侖爆炸過(guò)程。這些過(guò)程產(chǎn)生的電子和離子碎片沿著Z方向受到40 V·cm-1均勻電場(chǎng)的約束和引導(dǎo)。由于離子和電子遵循動(dòng)量守恒定律，以及它們之間的質(zhì)量相差很大，電子在磁場(chǎng)的作用下做螺旋軌跡運(yùn)動(dòng)，離子的運(yùn)動(dòng)軌跡為拋物線，并被位于腔室兩端的位置敏感探測(cè)器接收，記錄電子和離子的飛行時(shí)間信號(hào)與位置信號(hào)。

圖1 COLTRIMS實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the COLTRIMS experimental apparatus

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集示意圖如圖2所示，位置敏感探測(cè)器接收到離子和電子時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)通過(guò)分線器耦合到腔外。其中包括離子端的1個(gè)MCP［33-34］信號(hào)和4個(gè)延遲線信號(hào)，電子端的1個(gè)MCP信號(hào)和6個(gè)延遲線信號(hào)。再通過(guò)放大器（Amplifier，AMP）將MCP和延遲線的原始信號(hào)放大200倍，以提高系統(tǒng)的信號(hào)噪聲比，而減少信號(hào)傳輸?shù)胶罄m(xù)電子學(xué)器件時(shí)外界的干擾。然后利用恒定系數(shù)甄別器（Constant Fraction Discriminator，CFD）消除因信號(hào)幅值抖動(dòng)而引起的計(jì)時(shí)不準(zhǔn)確，并轉(zhuǎn)化成NIM信號(hào)。再經(jīng)過(guò)時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)化卡［35］（Time-to-digital Conversion，TDC）轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用的TDC包含8路高精度采集通道，由兩塊卡并聯(lián)組成16個(gè)采集通道，其中的每一路都能進(jìn)行多擊響應(yīng)。離子探測(cè)器和電子探測(cè)器共產(chǎn)生的12路信號(hào)分別接入離子和電子計(jì)時(shí)卡。采集模式采用觸發(fā)匹配模式，利用光電二極管將激光脈沖輸出為電信號(hào)，再轉(zhuǎn)換成NIM信號(hào)作為觸發(fā)通道的時(shí)間零點(diǎn)。最后，將屬于同一事件的時(shí)間信號(hào)被作為整體存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖2 信號(hào)采集示意圖Fig.2 Schematic diagram of signal acquisition

1.3 離子位置與TOF測(cè)量

離子碎片的位置信息通過(guò)延遲線兩端輸出的一組時(shí)間信號(hào)確定，朱小龍等［36］對(duì)延遲線陽(yáng)極絲位置靈敏讀出原理進(jìn)行了詳細(xì)介紹。相互垂直纏繞的兩條陽(yáng)極絲可以分別給出兩個(gè)維度的位置信息，通常將長(zhǎng)度固定的陽(yáng)極絲中心位置定為原點(diǎn)，經(jīng)MCP放大后的脈沖電子束撞擊到陽(yáng)極絲x（y）位置，利用陽(yáng)極絲兩端的時(shí)間信號(hào)可得到位置信息，其計(jì)算方式如下：

式中：tx1、tx2、ty1和ty2分別對(duì)應(yīng)延遲線兩端的一組時(shí)間信號(hào)；v表示時(shí)間信號(hào)的有效傳輸速度。圖3（a）為CO2分子與強(qiáng)激光場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的離子碎片位置與TOF關(guān)聯(lián)，可以清晰地觀測(cè)到離子碎片位置分布的多樣性，這表明實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在多種電離解離路徑。為了進(jìn)一步得出這些離子碎片的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，需要對(duì)其進(jìn)行精確地識(shí)別，假設(shè)離子在TOF方向的初始動(dòng)量為零、加速區(qū)長(zhǎng)度為a、電壓為U，計(jì)算一個(gè)電荷為q、質(zhì)量為m的離子在反應(yīng)區(qū)作用后到達(dá)探測(cè)器的飛行時(shí)間T為：

由式（3）可知，由于離子碎片質(zhì)量-電荷比的不同，在給定的加速區(qū)長(zhǎng)度和電壓條件下，離子碎片可以在如圖3（b）的TOF譜中得以區(qū)分。并利用離子的飛行時(shí)間可以得到TOF方向的動(dòng)能E//：

通過(guò)E//可以得到初始動(dòng)量P//。垂直于TOF方向的初始動(dòng)量P⊥可以根據(jù)每個(gè)離子碎片的(x,y)的坐標(biāo)給出：

初始動(dòng)量P⊥包含Px和Py兩個(gè)方向的動(dòng)量，Px方向是激光傳播方向，Py方向是分子束方向（激光傳播方向、分子束方向和TOF方向相互垂直），離子碎片的三維動(dòng)量分布得到了精確測(cè)算。然而，離子碎片的動(dòng)量可能在不同的電離解離路徑中獲得，從圖3（a）中可以確認(rèn)C和O離子碎片沿y軸方向的分布特點(diǎn)。進(jìn)一步，利用光離子-光離子符合測(cè)量，以及光離子-光離子-光離子符合測(cè)量對(duì)特定反應(yīng)通道進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別。

圖3 離子飛行時(shí)間與位置關(guān)聯(lián)譜Fig.3 Correlation spectrum of ion TOF and position

2 結(jié)果與討論

2.1 離子符合測(cè)量技術(shù)

基于動(dòng)量守恒定律，同一母體離子通過(guò)庫(kù)侖爆炸過(guò)程所產(chǎn)生的離子碎片之間具有明顯的關(guān)聯(lián)性，并在離子碎片的TOF中有顯著特征。正如圖4（a）所示的光離子-光離子符合譜，將兩個(gè)離子碎片的TOF分別作為x和y軸，從圖中可以觀測(cè)到4條明顯的拋物線結(jié)構(gòu)。其中，每一條拋物線結(jié)構(gòu)代表一個(gè)兩體庫(kù)侖爆炸通道，根據(jù)兩個(gè)離子碎片對(duì)應(yīng)的TOF可以精確識(shí)別其離子碎片的電荷態(tài)：

由于CO2分子是由兩個(gè)C-O鍵組成，可以明確這4個(gè)兩體解離通道均是來(lái)源于C-O鍵的斷裂，并在庫(kù)侖排斥力的作用下發(fā)生庫(kù)侖爆炸。人們已經(jīng)對(duì)（1，1）通道進(jìn)行了大量的研究［24-27］，但對(duì)于（2，1）、（1，2）和（2，2）通道碎裂機(jī)制的研究較少，本文將進(jìn)一步討論這些通道的碎裂動(dòng)力學(xué)。另一方面，利用如圖4（b）所示的光離子-光離子-光離子符合譜，從圖中觀測(cè)到了CO23+和CO24+的三個(gè)三體解離通道，根據(jù)三個(gè)離子碎片的TOF可以識(shí)別三體解離通道為：

圖4 (a)光離子-光離子符合測(cè)量圖，拋物線(n,m)表示庫(kù)侖爆炸通道：CO2(n+m)+→COn++Om+，(b)光離子-光離子-光離子符合測(cè)量圖，拋物線(n,q,m)表示庫(kù)侖爆炸通道：CO2(n+q+m)+→On++Cq++Om+Fig.4(a)Photoion-photoion coincidence(PIPICO)plot,the parabola(n,m)represents the Coulomb explosion channel:CO2(n+m)+→COn++Om+,(b)Photoion-photoion-photoion coincidence(PIPIPICO)plot,the parabola(n,q,m)represents the Coulomb explosion cha nnel:CO2(n+q+m)+→On++Cq++Om+

然而，三體解離動(dòng)力學(xué)是非常復(fù)雜的，它既可以發(fā)生非順序碎裂通道，也可以發(fā)生分步碎裂的順序碎裂通道。

2.2 CO2的兩體碎裂

實(shí)驗(yàn)利用符合測(cè)量技術(shù)識(shí)別出CO2q（+q≤4）的4個(gè)兩體解離通道分別是（1，1）、（1，2）、（2，1）和（2，2）通道。每個(gè)通道產(chǎn)生的氧離子碎片的三維動(dòng)量分布如圖5所示，另一個(gè)與其相關(guān)聯(lián)的一氧化碳離子在實(shí)驗(yàn)測(cè)得的動(dòng)量分布與氧離子幾乎是一致的。從圖5可以明顯地觀測(cè)到4個(gè)通道的氧離子動(dòng)量主要沿y方向分布，呈顯著的各向異性分布。Wu等［37］利用激光強(qiáng)度為1015W·cm-2、脈沖寬度為8 fs的強(qiáng)激光場(chǎng)對(duì)（1，1）通道進(jìn)行了細(xì)致研究，其離子碎片的動(dòng)量主要沿激光偏振方向分布，這與我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。

圖5 CO2兩體碎裂過(guò)程產(chǎn)生的O離子動(dòng)量分布在三個(gè)相互垂直的平面上的投影圖(a)CO++O+，(b)CO++O2+，(c)CO2++O+，(d)CO2++O2+Fig.5 Projections of the Oion momentum distribution generated from the two-body process in three mutually perpendicular planes(a)CO++O+,(b)CO++O2+,(c)CO2++O+,(d)CO2++O2+

然 而 ，Alnaser等［38］在 激 光 強(qiáng) 度 為6×1013W·cm-2、脈沖寬度為8 fs的強(qiáng)激光場(chǎng)中，實(shí)驗(yàn)測(cè)得（1，1）通道的離子碎片動(dòng)量分布與我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很大的區(qū)別，它主要分布在與激光偏振方向夾角為0°～90°之間，這種不同的現(xiàn)象可歸結(jié)為動(dòng)力學(xué)準(zhǔn)直機(jī)理和幾何學(xué)準(zhǔn)直機(jī)理的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系［38］。動(dòng)力學(xué)準(zhǔn)直機(jī)理表明：對(duì)于初始取向?yàn)楦飨蛲缘姆肿樱肿虞S由于激光電場(chǎng)和分子感生偶極矩的相互作用而重新排列，使得分子軸與激光電場(chǎng)的方向一致，這種機(jī)理可以發(fā)生在分子電離前后。幾何學(xué)準(zhǔn)直機(jī)理表示：激光場(chǎng)與分子軸的空間夾角決定了分子的第一電離幾率，根據(jù)MO-ADK（molecular-Ammosov-Delone-Krainov）理論，處在最高占有分子軌道（Highest Occupied Molecular Orbital，HOMO）的電子由于具有最低的電離能會(huì)最先被電離，離子碎片的角分布可以反應(yīng)HOMO的對(duì)稱性［39］。當(dāng)少周期飛秒激光脈沖的激光強(qiáng)度在非順序雙電離區(qū)時(shí)，幾何學(xué)準(zhǔn)直機(jī)理將占主導(dǎo)地位，由于CO2的HOMO是Πg，分子軸與激光場(chǎng)方向的夾角為46°時(shí)，電離幾率最大［15］。在本實(shí)驗(yàn)中，CO2分子的線性方向（分子軸方向）在強(qiáng)激光場(chǎng)作用下沿激光場(chǎng)方向排列，并在激光峰值功率處發(fā)生庫(kù)侖爆炸，導(dǎo)致氧離子碎片和一氧化碳離子碎片的動(dòng)量分布主要集中在激光偏振方向，通常認(rèn)為是動(dòng)力學(xué)準(zhǔn)直機(jī)理占主導(dǎo)作用。

從分子中去除電子后將過(guò)渡到瞬態(tài)分子離子的激發(fā)態(tài)，在大多數(shù)情況下化學(xué)鍵會(huì)發(fā)生斷裂，并在庫(kù)侖力的作用下運(yùn)動(dòng)而獲得動(dòng)量。由于實(shí)驗(yàn)上采用超音速冷卻靶，母體分子離子在解離前的初始動(dòng)量可以忽略不計(jì)。因此，單個(gè)通道的所有離子碎片的動(dòng)能之和為通道KER。圖6為4個(gè)通道的KER分布，其中單峰表示每個(gè)通道的母體分子離子在單一的電子態(tài)解離，根據(jù)碎裂通道的KER可以重構(gòu)分子離子在碎裂前的幾何結(jié)構(gòu)，離子碎片之間的核間距Rco-o可根據(jù)下式得出：

圖6 兩體碎裂通道的KER分布Fig.6 The KER distributions for the two-body fragmentation channels

式中：qco為COq+碎片的電荷數(shù)；qo為Oq+碎片的電荷數(shù)。根據(jù)式（6）得到的Rco-o結(jié)果如表1所示，4個(gè)通道的Rco-o存在明顯的差異。

表1 CO2兩體解離通道的KER峰值和C-O鍵長(zhǎng)Table 1 The peak of KER and C-O bond length of twobody dissociation channel of CO2

對(duì)于中性的CO2分子，C-O鍵的鍵長(zhǎng)為0.117 nm，最可幾鍵角為172.5°［40］，得出中性的CO2分子的Rco-o應(yīng)該為0.181 nm。相比而言，實(shí)驗(yàn)測(cè)得結(jié)果表明，CO2分子在強(qiáng)激光場(chǎng)的作用下Rco-o被拉長(zhǎng)了。這種現(xiàn)象的原因取決于強(qiáng)激光場(chǎng)的脈寬大小，分子離子的鍵長(zhǎng)隨著強(qiáng)激光場(chǎng)作用時(shí)間的延長(zhǎng)而拉長(zhǎng)［41］，這也進(jìn)一步表明動(dòng)力學(xué)準(zhǔn)直機(jī)理在強(qiáng)激光場(chǎng)中的重要作用。

2.3 CO2的三體碎裂

基于CO2分子的線性幾何結(jié)構(gòu)，對(duì)于非順序碎裂通道，兩個(gè)C-O鍵同時(shí)碎裂產(chǎn)生三個(gè)離子碎片。如果兩個(gè)O離子碎片帶有相同的電荷，那么幾何空間的對(duì)稱性可以在動(dòng)量空間得到保留，此時(shí)的兩個(gè)O離子碎片會(huì)獲得相同大小的動(dòng)量。而對(duì)于順序碎裂通道，在第一個(gè)C-O鍵斷裂后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中間體COq+，由于中間體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這將導(dǎo)致分步碎裂后的兩個(gè)O離子動(dòng)量沒(méi)有明顯的關(guān)聯(lián)性。我們利用這種關(guān)聯(lián)性繪制了（1，1，1）、（2，1，1）和（1，2，1）通道的氧離子動(dòng)量關(guān)聯(lián)譜，如圖7所示。由圖7（a）和（b）可以很清晰地觀察到兩種結(jié)構(gòu)，并用一個(gè)扇形隔開(kāi)。其中，扇形外的兩個(gè)氧離子動(dòng)量沿對(duì)角線分布，表明它們具有相等大小的動(dòng)量，即使是來(lái)自（2，1，1）通道的不同電荷的兩個(gè)氧離子動(dòng)量依然保留了很好的對(duì)稱性，而這些事件主要來(lái)源于非順序碎裂過(guò)程。相反，扇形內(nèi)的兩個(gè)氧離子動(dòng)量沒(méi)有明顯的關(guān)聯(lián)性，其主要沿半圓狀分布，這是由于離子碎片主要產(chǎn)生于順序碎裂過(guò)程。此外，對(duì)比圖7（a）和（b）扇形內(nèi)的事件分布可以看出，右圖的結(jié)構(gòu)是左圖的一半結(jié)構(gòu)。（2，1，1）通道的O2+離子碎片動(dòng)量分布主要集中在180 a.u.，這是由于O2+離子碎片只來(lái)源于第一步碎裂過(guò)程，獲得的動(dòng)量分布范圍相對(duì)穩(wěn)定，表明（2，1，1）通道在順序碎裂過(guò)程中的第一步總是先解離一個(gè)O2+離子碎片，這種結(jié)果與Khan等［5］在高電荷態(tài)離子碰撞實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)果是一致的。而（1，2，1）通道只有一種沿著對(duì)角線分布的結(jié)構(gòu)，如圖7（c）所示，這表明三個(gè)離子碎片僅來(lái)源于非順序碎裂通道，

圖7 CO2三體破碎通道產(chǎn)生兩個(gè)相關(guān)氧離子的動(dòng)量關(guān)聯(lián)圖(a)O++C++O+，(b)O2++C++O+，(c)O++C2++O+Fig.7 Momentum correlation diagram for two correlated oxygen ions generated from the three-body fragmentation channels of CO2(a)O++C++O+,(b)O2++C++O+,(c)O++C2++O+

其中，將非順序解離通道記為Non-（nqm），順序碎裂通道記為Seq-（nqm）。

牛頓圖可以直觀地反映離子碎片之間的動(dòng)量相關(guān)性，可以有效地識(shí)別三體碎裂機(jī)制。正如圖8所示的CO23+和CO24+三體碎裂的牛頓圖，將其中一個(gè)離子碎片的動(dòng)量方向作為x軸，另外兩個(gè)離子碎片的動(dòng)量矢量都?xì)w一化為該離子碎片的動(dòng)量大小，并分別位于牛頓圖的上半部分和下半部分。計(jì)算方式如下：

圖8 CO2三體碎裂通道產(chǎn)生的相關(guān)離子碎片的牛頓圖(a)Non-(1,1,1)，(b)Seq-(1,1,1)，(c)Non-(2,1,1)，(d)Seq-(2,1,1)，(e)Non-(1,2,1)Fig.8 Newton diagram for correlated ion fragments generated from the three-body fragmentation channels of CO2(a)Non-(1,1,1),(b)Seq-(1,1,1),(c)Non-(2,1,1),(d)Seq-(2,1,1),(e)Non-(1,2,1)

圖9 是Non-（1，1，1）、Seq-（1，1，1）、Non-（2，1，1）、Seq（2，1，1）和Non-（1，2，1）通道的KER分布。與順序碎裂過(guò)程相比，非順序碎裂過(guò)程的總KER峰值更高，以及非順序碎裂過(guò)程得到的C離子碎片的KER峰值更低，分布范圍更小，如圖9（a）～（d），這一觀察結(jié)果可以解釋為順序碎裂和非順序碎裂過(guò)程的不同的分離模式。在順序碎裂過(guò)程中，中間體CO2+的解離總是伴隨著旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)一段時(shí)間后分解成C+離子碎片和O+離子碎片，正如牛頓圖中的圓形結(jié)構(gòu)所證明的。因此，C+離子碎片的最終動(dòng)量是兩步碎裂得到的動(dòng)量矢量的總和，伴隨著C+離子動(dòng)量矢量會(huì)有一個(gè)大的角度分布，從而導(dǎo)致了C+離子動(dòng)能分布更廣。在非順序碎裂過(guò)程中，兩個(gè)C-O鍵同時(shí)斷裂，由于其線性幾何結(jié)構(gòu)，可以預(yù)測(cè)到C+離子碎片的KER分布應(yīng)位于原點(diǎn)附近，兩個(gè)O離子碎片背對(duì)背發(fā)射。對(duì)于電荷態(tài)相等的兩個(gè)O離子，由于空間對(duì)稱性在動(dòng)量空間中得以保留，會(huì)具有相似的KER分布，如圖9（a）和（e）所示。相反，電荷態(tài)更高的O離子獲得更高的KER，如圖9（c）所示。

圖9 三體碎裂通道的KER分布(a)Non-(1,1,1)，(b)Seq-(1,1,1)，(c)Non-(2,1,1)，(d)Seq-(2,1,1)，(e)Non-(1,2,1)Fig.9 KER distributions for the three-body fragmentation channels(a)Non-(1,1,1),(b)Seq-(1,1,1),(c)Non-(2,1,1),(d)Seq-(2,1,1),(e)Non-(1,2,1)

對(duì)于Non-（211）通道，總KER分布為22～45 eV，峰值為36.8 eV，這與電子［7］和50 fs強(qiáng)激光場(chǎng)［44］的研究結(jié)果有很大的不同。在CO2與電子碰撞研究中，總KER在30～80 eV分布，并觀察到一個(gè)尖銳的峰和一個(gè)較寬的峰，分別位于42.5 eV和54 eV。而在50 fs的強(qiáng)激光場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，只得到了位于14 eV尖銳的峰。這種差異主要?dú)w因于CO2分子在強(qiáng)激光場(chǎng)的作用下分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變形。正如Bocharova等［41］所指出的，隨著激光強(qiáng)場(chǎng)作用時(shí)間的延長(zhǎng)，分子離子解離時(shí)的鍵長(zhǎng)會(huì)被拉長(zhǎng)，拉伸的臨界鍵長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的脈寬約為100 fs，而激光脈沖寬度很短時(shí)，激光強(qiáng)場(chǎng)對(duì)分子鍵長(zhǎng)的拉伸效應(yīng)較小，此時(shí)可以忽略激光脈寬的影響。離子碎片在庫(kù)侖爆炸中獲得的動(dòng)能與分子鍵斷裂時(shí)的鍵長(zhǎng)有很強(qiáng)的依賴性。因此，總KER分布隨強(qiáng)激光場(chǎng)脈沖寬度的變化而不同。

3 結(jié)語(yǔ)

本文實(shí)驗(yàn)研究了CO2q（+q≤4）在強(qiáng)激光場(chǎng)中的碎裂動(dòng)力學(xué)過(guò)程。由于動(dòng)力學(xué)準(zhǔn)直機(jī)理的作用，4個(gè)兩體碎裂通道的離子碎片主要沿激光偏振方向出射，這些通道的KER分布也清晰地證明了分子鍵長(zhǎng)在激光場(chǎng)的作用下被拉長(zhǎng)了。我們利用動(dòng)量關(guān)聯(lián)譜、牛頓圖和KER譜詳細(xì)分析了（1，1，1）和（2，1，1）通道的非順序和順序碎裂過(guò)程，以及（2，1，1）通道的非順序碎裂過(guò)程。在實(shí)驗(yàn)上揭示了（1，1，1）和（2，1，1）通道的順序碎裂過(guò)程中存在一個(gè)中間體CO2+離子，并在旋轉(zhuǎn)一段時(shí)間后發(fā)生第二步碎裂。這也表明了Seq-（2，1，1）通道所產(chǎn)生的O2+離子碎片只能在第一步碎裂過(guò)程中產(chǎn)生，揭示了分子鍵斷裂是存在一定的選擇性。本實(shí)驗(yàn)工作還進(jìn)一步驗(yàn)證了分子鍵長(zhǎng)在強(qiáng)激光場(chǎng)的作用下被拉伸，其激光脈沖寬度是調(diào)控分子鍵長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，這為調(diào)控分子結(jié)構(gòu)提供了重要思路。

作者貢獻(xiàn)聲明張帥：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工作，并負(fù)責(zé)論文起草、修改的主要工作；江文斌：負(fù)責(zé)文獻(xiàn)調(diào)研與整理，并參與實(shí)驗(yàn)工作和論文的修改；王新成：負(fù)責(zé)指導(dǎo)論文編寫(xiě)及論文的修訂；江玉海：負(fù)責(zé)審核、修訂最終版本的論文；朱志遠(yuǎn)：負(fù)責(zé)審核、修訂最終版本的論文。