丁酮激光位相相干控制研究

楊 雪

(吉林化工學院理學院，吉林吉林132013)

在化學反應中會有多個化學反應通道，生成不同的產物．通過化學方法可以人為控制反應通道來獲得所需要的化學產物．目前較為普遍的改變化學反應路徑的光化學方法是利用激光相位性質的方法，主要有兩種．第一種方法是時間域方法，該方法由 Tannor和 Rice［1］提出，用于超短激光脈沖所產生的波包運動．這種方法可以獲取沿分子反應路徑的勢能面很有價值的信息，但想從所得到的優化光場中得到分子內部的信息目前還很困難．第二種方法是由 Brumer和 Shapiro［2］提出來的相干控制方法，是在頻域上進行控制，利用兩束連續的長激光脈沖激發原子或分子使其從基態激發到終態．通過改變這兩束光的相位關系進而改變化學反應的分支比［3-5］．

丁酮的分子式為C4H8O，具有CS對稱性，是一種重要的有機溶劑，在工業、醫藥等方面有著廣泛的用途．本文利用相干控制方法，實驗上以飛行時間質譜為手段，研究了丁酮分子的光電離和解離反應過程．

1 實驗方法

本實驗裝置主要由五部分組成，分別為激光器、飛行時間質譜儀、配氣系統、相干控制系統和數據采集系統，與之前所做的實驗［6］類似．丁酮的純度為99．8%，是從北京化工廠購置的商品試劑．實驗前系統要抽真空，實驗中使用的倍頻氣體為Xe，其純度高達99．995%，位相調制氣體為Ar，其純度為 99．99%，所用的激光波長為355 nm，能量為840 J/脈沖，通過 EMP2000激光功率計測量．

實驗中使用Nd:YAG晶體激光器，輸出光的波長為 1 064 nm，而 355 nm激光是由 KDP(KH2PO4)晶體經過3倍頻后產生的，部分355 nm激光與其倍頻后所產生的118 nm激光共束，該光束通過調制腔的反射鏡反射到反應室，并與分子束垂直交叉，由此產生的加速離子信號通過飛行時間質譜儀接收．其輸出信號經放大和甄別送入BOXCAR進行積分后數據傳送到數據采集系統．通過改變兩光源的位相差，即通過調節Ar氣體壓強來控制末態產物．

2 結果與討論

沒有加載氣只有355 nm光存在時的質譜如圖1(a)所示，118 nm光存在時丁酮的質譜如圖1(b)所示．

Majumder等人曾對丁酮在多種波長的激光場作用下的多光子電離解離過程進行過分析研究［7-9］，結合本實驗得到的質譜圖見圖1，丁酮分子在355 nm和118 nm共同作用的激光場中可能存在以下兩種電離解離過程:

圖1 (a)僅有355 nm光存在時丁酮的質譜圖;(b)355 nm和118 nm光共同作用時丁酮的質譜圖

過程2:同時部分母體離子直接解離，其解離碎片繼續吸收355 nm光子電離:

(4)式的電離閾為9．84 eV，可通過吸收3個ω1或吸收一個ω3電離．

圖2是通過函數y0+kx+Asin(fx+phi)分別對和CH3CO+的離子信號隨調制氣體壓強的變化曲線進行擬合后得到的．很明顯該變化曲線為正弦曲線，調制周期為Δp≈246．4±14Pa．將最大和最小的離子信號值分別帶入調制深度中得到

CH3CO+的調制深度

圖2 CH3 CO+和離子信號隨Ar氣壓強的變化曲線

當改變355 nm和118 nm激光的位相差時，丁酮分子的光電離解離產物的產量隨之變化，因此得到了碎片離子CH3CO+和的調制深度，即實現了對它們的調制．達到了對丁酮分子反應通道分支比的相干控制的目的．其中信號的獲得主要來自反應通道(4)，是一個三光子過程．和CH3CO+的調制深度分別為22．74%和39．52%，在圖1中看到在沒有118 nm光存在時的信號較弱而CH3CO+的信號較強，另外，從圖2可知碎片離子CH3CO+比C的調制深度大，因此可以推測在母體離子的解離過程中反應過程1起主要作用．

3 結 論

通過量子相干控制理論，利用飛行時間質譜技術，對丁酮的電離解離過程進行控制，得到了丁酮在兩種波長的激光作用下的質譜圖以及兩個碎片(CH+3和CH3CO+)的離子信號隨位相調制氣體Ar壓強變化的正弦曲線．提出了激光作用下丁酮分子的電離解離反應機制，并初步實現了對丁酮分子體系的位相相干控制．

［1］ Cordon，T．J．;Rice，S．A．Active control of the dynamics of atoms and molecules［J］．Annu．Rev．Phys．chem．，1997，48:601-641．

［2］ Brumer，P．;Shapiro，M．Control of unimolecular reactions using coherent light［J］．Chemical Physics Letters，1986，126(6):541-546．

［3］ 王國文．一維無限深方勢阱中粒子動量概率分布引出的問題［J］．光子學報，1998，27:673-678．

［4］ 包涵，邵昉偉，陸靖等．HCL激發態上分子波的YOUNG干涉效應［J］．復旦大學學報，2002，41:419-423．

［5］ 周本漢，詹明生．激光相干控制選態激發的理論研究［J］．光學學報，1998，18:84-1490．

［6］ Song Yao-Dong，Chen Zhou，Yang Xue，et al．Control of the photoionization/photodissociation processes of cyclopentanone with trains of femtosecond laser pulses［J］．Chin．Phys．B，2013，22(10):103301．

［7］ 夏柱紅，魏杰，李子堯，等．氣溶膠單粒子化學成分的實時測量［J］．ACTA CHIMICA SINICA，2001，59(1):124-128．

［8］ C．Majumder，O．D．Jayakumar，R．K．Vatsa，et al．Multiphoton ionisation of acetone at 355 nm:a time-offlight mass spectrometry study［J］．Chem．Phy．Lett．，1999，304:51-59．

［9］ Potapov，V．K．;Sorokin，V．V．，Khim．Kinetic energy of products of the dissociative photoionization of molecules．I．Aliphatic ketones and alcohols［J］．Vys．Energ．，1972，6(1):387