NO2分子超快解离动力学的实验和理论研究

作     者：赵班池 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王春成

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 070203[理学-原子与分子物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：飞秒激光 冷靶反冲离子动量成像谱仪 多组态密度泛函 电离 解离 库仑爆炸 重碰撞 泵浦探测 

摘      要：实现分子结构演化的超快成像一直以来是强场领域物理学家所追求的目标,科研工作者们在电子散射、激光衍射技术的基础上不断深入探究分子结构超快成像的可能性,近些年超快电子束或超快激光这类新兴工具为分子结构演化的超快成像提供了更精确的时间分辨和更精细的空间分辨,从而可以更深入的了解分子及其结构演化的过程,也可以在更微观的层面操控化学反应。在亚飞秒时间尺度上实时观测分子键的断裂和生成是当前最重要的研究目标之一,而探索和发展分子结构超快成像方法则至关重要。复杂分子多次电离及库仑爆炸过程难以定量描述,但是借助时间分辨的泵浦探测实验技术,通过冷靶反冲离子动量成像谱仪(COLTRIMS)在超快强飞秒激光场诱导下对分子动力学过程的研究,可以对原子分子的结构变化进行细致的分析,值得深入研究。本论文针对非线性对称型三原子分子NO,进行了两方面的实验,第一部分应用飞秒红外激光的泵浦探测方案对二氧化氮分子进行了时间分辨的动力学符合测量,通过提取产率最高的通道NO→NO+O,清晰的重现了此解离通道随时间延迟发生的动力学变化;此解离通道包含三个主要的动能释放峰,我们首先研究了直接二次电离诱导库仑爆炸过程,通过多组态密度泛函方法计算了NO解离势能曲线,发现这三种动能释放分布分别来源于解离过程中分子不同的键角构型,并基于势能曲线形状及解离位置的临界核间距提出了N-O键的断键机制;进一步的,我们研究了这一库仑爆炸过程随时间演化规律,发现当分子电离到一价母体离子时,键角迅速弛豫到最小值,然后发生飞秒尺度的键拉伸过程,大约800飞秒之后,键长趋近于解离极限,动能分布变化变慢。基于不同的势能曲线,我们可以定性的判定不同时刻键长的大小,提供直观的分子时间分辨的解离图像。同时发现不同的构型弛豫的时间尺度不同,存在变化非常缓慢的通道,6ps后动能仍然在缓慢降低。本工作通过时间分辨的库仑爆炸方案,结合分子解离势能曲线计算来描述解离性电离过程,清晰的揭示了NO分子解离性电离随时间演化的过程。论文还研究了电子重散射诱导NO分子库仑爆炸成像的实验,通过不同偏振条件的对比实验,发现离子的KER(Kinetic-energy Release)分布具有一定的偏振依赖特性,线偏振条件下的动能释放会更强,此特性与直线型分子OCS相似,但与HO和DO等相似V型分子的偏振依赖规律则完全相反。结合总动能与离子动量矢量夹角θ关联图,我们通过提取线偏光条件下能量大于30e V的高能离子碎片动量,重构NO分子库仑爆炸时的构型,发现重构出的键长没有类似序列解离中键长拉伸的过程,而是通过协同解离直接发生库仑爆炸。应用重散射诱导库仑爆炸成像方法获取NO分子的瞬态结构信息,并研究可能存在的电离诱导结构变化,优化实验条件与激光参数,可以进一步研究时间分辨的紫外光诱导的分子结构变化。