分子軌道成像不僅可以幫助人們直觀地認識分子內(nèi)部結構,并且可以幫助人們深刻地理解分子動力學過程以及化學反應過程。盡管在過去的幾十年中,人們在成像技術方面取得了巨大的進步,并且獲得了很好的空間分辨率,但是,時間分辨率一直停留在幾十甚至上百飛秒。近年來,一種基于高次諧波的成像方法應運而生。這種方法通過測量激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的高次諧波,可以對分子軌道進行成像,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得到的是軌道波函數(shù)本身,打破了人們對波函數(shù)不可測量的認知。此外,分子軌道層析成像技術最大的潛在應用是獲取實時演化的分子軌道,即以前所未有的阿秒時間和�？臻g分辨率為變化的分子結構拍攝分子電影。拍攝分子電影的關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方面的障礙:一是在以往的工作中,沒有考慮庫侖勢對分子軌道層析成像的影響;二是實驗上測量高次諧波相位的技術極其復雜;三是多發(fā)實驗測量從本質(zhì)上制約著實時成像。針對上述問題,本文的主要研究內(nèi)容如下:(1)實驗研究了庫侖修正的分子軌道層析成像方案。利用雙中心庫侖波函數(shù)代替平面波來描述連續(xù)態(tài)電子波包。實驗結果顯示,利用庫侖修正的分子軌道層析成像方案重構的分子軌道,有效地消除了平面波近似引起的人為誤差,明顯提升了重構結果的質(zhì)量。利用雙中心庫侖波函數(shù)代替平面波來描述連續(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,夯實了基于高次諧波的分子軌道層析成像的理論基礎。(2)提出并在實驗上驗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。通過將相干衍射成像技術和分子軌道層析成像技術相結合,可以直接從高次諧波強度譜中重構分子軌道,而不必獲取任何先驗相位信息。實驗結果顯示,N_2、CO_2、C_2H_2等具有不同對稱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行重構�；谘苌涞姆肿榆壍缹游龀上穹桨敢�(guī)避了測量高次諧波相位的難題,明顯簡化了分子軌道層析成像的實驗操作,為重構復雜結構分子軌道提供了一種有效途徑。(3)首次實現(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中的運動狀態(tài)。數(shù)值仿真結果表明,正交雙色激光場可以有效控制電子的二維運動軌跡,使得不同動量的回復電子以不同回復角向母核回復,進而實現(xiàn)單發(fā)分子軌道層析成像。在原理性驗證實驗中,利用單發(fā)分子軌道層析成像方案成功重構了N_2分子軌道。單發(fā)分子軌道層析成像技術克服了實驗上必須多發(fā)測量才能重構分子軌道的瓶頸。朝著實現(xiàn)實時跟蹤能量和電荷在分子體系內(nèi)的轉(zhuǎn)移,觀察化學鍵的合成與斷裂過程,以及追蹤分子結構重排過程的目標邁出了重要的一步。
【學位單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：O561
【部分圖文】：

華 中 科 技 大 學 博 士 學 位 論 文亞埃量級，時間尺度為幾十阿秒到幾十飛秒（Femtosecond，fs，10-15s），電子運動的了解是解釋所有物理、化學和生物現(xiàn)象的基礎[10-17]。因此，將間分辨率和阿秒時間分辨率進行結合，即超快四維成像技術[18, 19]，有望實現(xiàn)了解和掌握微觀世界中極端超快現(xiàn)象的夢想。長期以來，為了獲得更高的時空間分辨率，捕捉更快的物理過程，研究者們致力于產(chǎn)生持續(xù)時間更短的沖。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)，為人們提供了強大的研究手段，可以在原子尺度探測原子、分動力學過程。自此，電子超快動力學過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，從此開啟了激光時門。一年之后，R.W. Hellwarth 發(fā)明的調(diào) Q 技術（Q-switching）[24]使激光度降低了四個數(shù)量級，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（Mode locking）的發(fā)展[25, 26]和激光質(zhì)的應用[27]，激光脈沖寬度又降低了四個數(shù)量級，人們可以獲得脈沖寬度（Picosecond，ps，10-12s）甚至亞皮秒量級的激光脈沖。1985 年，隨著沖放大技術（Chirped pulse amplification，CPA）[28, 29]的發(fā)展，激光技術取破性的進展，人們獲得了脈沖寬度為飛秒量級可聚焦功率密度超過 1015W級的超短脈沖。同時，摻鈦藍寶石（Ti: Sapphire）作為激光增益介質(zhì)[30-32]，實現(xiàn)了激光輻射脈沖中心波長位于 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性質(zhì)，鈦藍寶石被譽秀的超快激光光源，鈦藍寶石激光技術也因此被譽為激光器發(fā)展中的革命。如圖 1-2 所示為激光脈沖寬度隨時間的推進。

圖 1-3 激光脈沖聚焦功率密度隨時間的推進歷程[48]。子內(nèi)部，以氫原子為例，基態(tài)玻爾軌道上庫侖場所對應的功率密度為 3.5×1/cm2，遠低于實驗室所能達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，會發(fā)生一系列無法利用微擾理論解釋的物理現(xiàn)象。圖 示為不同激光強度下的分子行為，隨激光強度增加依次為激光誘導分子排Molecular alignment）、分子結構變化（Structural deformation）、庫侖爆Coulomb explosion）、X 射線輻射（X-ray emission）和核聚變（Nuclear fusion
【參考文獻】

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

本文編號：2855063