一種用正交雙色場實(shí)現(xiàn)對稱分子軌道單發(fā)成像的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種使用正交雙色場實(shí)現(xiàn)對稱分子軌道單發(fā)成像的方法，包括步驟：S1描述電子被正交雙色場電離后的經(jīng)典運(yùn)動軌跡，通過分析電子回復(fù)角度以及回復(fù)動量之間具有一一對應(yīng)的關(guān)系，選定激光場參數(shù)；S2用相同參數(shù)的激光場和沒有經(jīng)過排列的對稱分子以及與該分子具有相近的電離能的參考原子分別相互作用產(chǎn)生諧波；S3選定一段諧波譜，分析探測分子和參考原子在不同偏振分量上的高次諧波譜的振幅和相位，利用重構(gòu)算法，便可以重構(gòu)出來該探測分子的分子軌道。實(shí)施本發(fā)明可以在不經(jīng)過分子排列的實(shí)驗條件下實(shí)現(xiàn)激光場對分子軌道的單發(fā)成像。
【專利說明】
一種用正交雙色場實(shí)現(xiàn)對稱分子軌道單發(fā)成像的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于超快激光技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用正交雙色場實(shí)現(xiàn)對稱分子 軌道單發(fā)成像的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)分子在強(qiáng)的激光場作用下發(fā)生電離，在激光場中被加速，并最終回復(fù)時，發(fā)生的 相關(guān)強(qiáng)場物理現(xiàn)象過程中分子會發(fā)射出攜帶有其分子軌道結(jié)構(gòu)信息的光子信號，該信號為 高次諧波，從而人們可以通過探測這些信號實(shí)現(xiàn)對分子軌道的探測以及成像。分子的最高 占據(jù)軌道在化學(xué)反應(yīng)中起主要作用，由分子的能級結(jié)構(gòu)信息可知，最高分子占據(jù)軌道上的 電子最易發(fā)生電離，所以分子的最高占據(jù)軌道的結(jié)構(gòu)信息得到了廣泛關(guān)注，并且在理論和 實(shí)驗上都有開展研究。
[0003] 目前，分子軌道成像的主要方案是：用線偏光與分子相互作用，通過改變分子軸與 激光偏振方向的夾角，測得在夾角為0-2JT范圍內(nèi)不同分子排列角下的諧波譜，從而進(jìn)行軌 道成像。但是該方法必須要進(jìn)行分子排列，并且在每一個分子排列角下，需要對分子諧波進(jìn) 行一次測量。通過多次測量實(shí)現(xiàn)分子軌道的全方位探測，實(shí)驗上較為復(fù)雜同時會引入多次 測量帶來的誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種用正交雙色場實(shí)現(xiàn)對稱分子軌 道單發(fā)成像的方法，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中需要進(jìn)行分子排列，并且在每一個分子排列角下， 需要對分子諧波進(jìn)行一次測量；因此需要通過多次測量實(shí)現(xiàn)分子軌道的全方位探測，實(shí)驗 上較為復(fù)雜同時會引入多次測量帶來的誤差的問題。
[0005] 本發(fā)明提供了一種用正交雙色場實(shí)現(xiàn)對稱分子軌道單發(fā)成像的方法，包括下述步 驟：
[0006] S1:根據(jù)電子被正交雙色場電離后的運(yùn)動軌跡，通過分析電子的回復(fù)能量和回復(fù) 角度之間的關(guān)系，確定激光參數(shù)；
[0007] 所述激光參數(shù)包括:兩個偏振方向的激光場的頻率比為1:2,載波包絡(luò)相位分別為 〇,兩個激光場的強(qiáng)度大小相等；
[0008] S2:將具有所述激光參數(shù)的激光場和沒有經(jīng)過排列的對稱分子相互作用產(chǎn)生第一 諧波譜，并將所述激光場與參考原子相互作用產(chǎn)生第二諧波譜；
[0009] S3:根據(jù)在第一諧波譜中選定的第一諧波譜段獲得所述對稱分子在不同偏振分量 上的高次諧波譜的振幅和相位;根據(jù)在第二諧波譜中選定的與第一譜段相同寬度的第二諧 波譜段獲得所述參考原子在不同偏振分量上的高次諧波譜的振幅和相位;并對所述高次諧 波譜的振幅和相位進(jìn)行重構(gòu)處理后獲得所述對稱分子的分子軌道。
[0010] 更進(jìn)一步地，所述參考原子和所述對稱分子具有相同的電離能。
[0011] 更進(jìn)一步地，所述第一諧波譜段與所述第二諧波譜段的階次相同。
[0012] 更進(jìn)一步地，所述第一諧波譜段與所述第二諧波譜段為22th-30th。
[0013] 更進(jìn)一步地，所述的對稱性分子為他，參考原子為Kr。
[0014] 更進(jìn)一步地，所述的分子成像軌道為最高分子占據(jù)軌道HOMO。
[0015] 本發(fā)明采用正交雙色場與對稱分子以及參考原子分別相互作用產(chǎn)生高次諧波，利 用軌道重構(gòu)算法，可以將分子軌道重構(gòu)出來。相對于以往的成像方法，本發(fā)明方案實(shí)驗操作 簡便，不需要進(jìn)行分子排列，避免了多次測量帶來的誤差。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的用正交雙色場實(shí)現(xiàn)對稱分子軌道單發(fā)成像的方法實(shí)現(xiàn) 流程圖；
[0017] 圖2為本發(fā)明所使用的正交雙色場示意圖；
[0018] 圖3(a)為發(fā)生回復(fù)的電子的回復(fù)動量示意圖；
[0019] 圖3(b)為發(fā)生回復(fù)的電子的回復(fù)角度示意圖
[0020] 圖4中，實(shí)線為對稱分子諧波譜和虛線為參考原子的諧波譜示意圖；
[0021] 圖5(a)為所選諧波譜段重構(gòu)出來的N2的最高占據(jù)軌道；
[0022]圖5(b)虛線為正交雙色場重構(gòu)出來的分子軌道的核間距與實(shí)線為傅里葉極限重 構(gòu)的軌道核間距。
【具體實(shí)施方式】
[0023]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0024]本發(fā)明提供了一種使用正交雙色場實(shí)現(xiàn)對稱分子軌道成像的方法，采用正交雙色 場與對稱分子以及參考原子分別相互作用產(chǎn)生諧波，通過操縱分子軌道電離以及連續(xù)態(tài)電 子波包動力學(xué)過程，在單個脈沖與分子相互作用過程中獲取分子軌道的方位信息，利用相 關(guān)的重構(gòu)算法，最終實(shí)現(xiàn)分子軌道的單發(fā)成像。本發(fā)明實(shí)驗操作簡便，避免了多次測量帶來 的誤差。
[0025]本發(fā)明提供的用正交雙色場實(shí)現(xiàn)對稱分子軌道單發(fā)成像的方法，包括下述步驟： [0026] S1:根據(jù)電子被正交雙色場電離后的運(yùn)動軌跡，通過分析電子的回復(fù)能量和回復(fù) 角度之間的關(guān)系，確定激光參數(shù)；
[0027]所述激光場為兩個偏振方向的激光場的頻率比為1:2,載波包絡(luò)相位分別為0,以 及兩個激光場的強(qiáng)度大小相等，這樣的激光參數(shù)下，我們可以得到電子的回復(fù)能量和回復(fù) 角度之間是 對應(yīng)；
[0028] S2:將所述激光場和沒有經(jīng)過排列的對稱分子相互作用產(chǎn)生第一諧波譜，并將所 述激光場與參考原子相互作用產(chǎn)生第二諧波譜；
[0029] 所述參考原子和所述對稱分子具有相同的電離能；
[0030] S3:根據(jù)在第一諧波譜中選定的第一諧波譜段獲得所述對稱分子在不同偏振分量 上的高次諧波譜的振幅和相位;根據(jù)在第二諧波譜中選定的第二諧波譜段獲得所述參考原 子在不同偏振分量上的高次諧波譜的振幅和相位;并對所述高次諧波譜的振幅和相位進(jìn)行 重構(gòu)處理后獲得所述對稱分子的分子軌道。
[0031] 其中，所述第一諧波譜段與所述第二諧波譜段的階次相同；
[0032] 在步驟S2中，對稱性分子為H2、N2、C02等，基于實(shí)驗條件方便性，本發(fā)明以對稱分子 N2，參考原子Kr為例來說明。
[0033] 在本發(fā)明實(shí)施例中，分子成像軌道為最高分子占據(jù)軌道(HOMO)。
[0034] 在本發(fā)明實(shí)施例中，步驟S3中，所選的諧波譜段為22th_30th，所選譜段重構(gòu)出來 的分子軌道效果更好，更接近真實(shí)軌道。
[0035] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有的技術(shù)相比，主要有以下的 技術(shù)有點(diǎn)：本發(fā)明采用正交雙色場與對稱分子以及參考原子分別相互作用產(chǎn)生高次諧波， 利用軌道重構(gòu)算法，可以將分子軌道重構(gòu)出來。相對于以往的成像方法，本發(fā)明方案實(shí)驗操 作簡便，不需要進(jìn)行分子排列，避免了多次測量帶來的誤差。
[0036] 為了更進(jìn)一步的說明本發(fā)明實(shí)施例提供的方法，現(xiàn)參照附圖并結(jié)合具體實(shí)例詳述 如下：
[0037]如圖1所示，本發(fā)明使用正交雙色場實(shí)現(xiàn)對稱分子軌道單發(fā)成像的方法包括：
[0038] S1:根據(jù)電子被正交雙色場電離后的運(yùn)動軌跡，通過分析電子的回復(fù)能量和回復(fù) 角度之間的關(guān)系，確定激光參數(shù)；
[0039] 所述激光場為兩個偏振方向的激光場的頻率比為1:2,載波包絡(luò)相位分別為0,以 及兩個激光場的強(qiáng)度大小相等，這樣的激光參數(shù)下，我們可以得到電子的回復(fù)能量和回復(fù) 角度之間是 對應(yīng)；
[0040] S2:將所述激光場和沒有經(jīng)過排列的對稱分子相互作用產(chǎn)生第一諧波譜，并將所 述激光場與參考原子相互作用產(chǎn)生第二諧波譜；
[0041] 所述參考原子和所述對稱分子具有相同的電離能；
[0042] S3:根據(jù)在第一諧波譜中選定的第一諧波譜段獲得所述對稱分子在不同偏振分量 上的高次諧波譜的振幅和相位;根據(jù)在第二諧波譜中選定的第二諧波譜段獲得所述參考原 子在不同偏振分量上的高次諧波譜的振幅和相位;并對所述高次諧波譜的振幅和相位進(jìn)行 重構(gòu)處理后獲得所述對稱分子的分子軌道
[0043] 上述步驟S1中，正交雙色場可以控制分子軌道電離以及連續(xù)態(tài)電子波包動力學(xué)過 程。利用正交雙色場控制連續(xù)態(tài)電子波包的運(yùn)動軌跡和回復(fù)角度，使得回復(fù)電子在單個脈 沖的作用下以多個不同角度回復(fù)，從而不需要通過多次排列分子即可獲得分子軌道的多方 位信息，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗方案中多次與排列和測量帶來的誤差等問題。
[0044]上述步驟S2中，所選用的對稱分子為N2,參考原子為Kr，三步模型可以形象的解釋 高次諧波的產(chǎn)生過程。在具有某個角頻率ω的高次諧波輻射的電場實(shí)際上可以表示為與分 子軌道結(jié)構(gòu)無關(guān)和有關(guān)的兩項的乘積Ehhg( ω ) =W( ω )d( ω )，W( ω )表不回復(fù)的連續(xù)電子波 包的振幅，它包含了高次諧波產(chǎn)生三步過程的電離和加速步驟的貢獻(xiàn)。對于具有相似電離 能的原子或者分子來說，這一項對于ω的依賴關(guān)系與所選的分子或者原子軌道結(jié)構(gòu)無關(guān)。d (ω )表示連續(xù)態(tài)電子波包向基態(tài)回復(fù)的躍迀偶極距，它和分子的軌道結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)烈的依賴 關(guān)系。我們也正是從分子的躍迀偶極距中提取出分子的軌道結(jié)構(gòu)信息以實(shí)現(xiàn)對分子軌道的 成像。被探測分子和參考原子所輻射的高次諧波有以下關(guān)系，
，9是 電子在分子坐標(biāo)系下的回復(fù)角度η是電離率角分布因子，是由于被探測分子和參考原子的 軌道不同導(dǎo)致在改變分子取向角的時候隧道電離振幅的大小不同，計算過程中該因子會被 約去。Eif^dmcil( ω，θ)帶有上角標(biāo)mo1表示對稱分子的諧波電場以及回復(fù)偶極距， 場^T)，cTf( ω，θ)帶有上角標(biāo)ref表示參考原子的諧波電場和回復(fù)偶極距。對于較簡 單結(jié)構(gòu)的已知參考原子，它的回復(fù)偶極距也是已知的。所以，我們便可以得到所需成像的分 子軌道的偶極距
；或躍迀偶極 速度
，其中 ω，θ)為諧波的振幅，為諧波的相位，i表示虛部因 子。ω )，cTf'v( ω )上角標(biāo)為1，v分別為參考原子的偶極距和偶極速度。
[0045]上述步驟S3中，軌道成像的速度形式的重構(gòu)算法是基于偶極速度與分子軌道之間的數(shù) 學(xué)關(guān)系進(jìn)行的。根據(jù)偶極速度的定義:d貨一|| i'M-成詩? 士 dx，dy表示分子坐標(biāo)系下x，y兩個方向的積分微元，分子軌道
1 其中 (a = X，y)，ifc為分子基態(tài)波函數(shù)，φ。為連續(xù)態(tài)電子波包，ka為電子的回復(fù)動量。將在實(shí)驗室坐標(biāo)系 下的偶極速度分量氡女)投影到分子坐標(biāo)系下(下角標(biāo)V，/是實(shí)驗室坐標(biāo)系的 兩個分量），并離散化最終得到的速度形式的重構(gòu)公式，

，其中l(wèi)，f:分別表示電子的回復(fù)動量和回復(fù)坐標(biāo)。如，如分別用 X，y兩個方向的回復(fù)偶極距重構(gòu)出來的分子軌道，重構(gòu)的結(jié)果是相同的。
[0046] ?χ(ω,Θ'} ^ €〇&β -f ?ζ?ζθ,Ιζ} *
[0047] <(砵幻=+ 既《）* CO續(xù)，β表示在具有Θ角的回復(fù)電子 的運(yùn)動軌跡電尚時刻的分子軸和實(shí)驗室坐標(biāo)系的夾角。回復(fù)動量k和諧波角頻率ω的關(guān)系 為
ΙΡ為分子的電離能，H.表示普朗克常量。在計算回復(fù)電子的經(jīng)典軌跡的過 程中，分子軸沿著電場的瞬時偏振方向的電離概率最大，我們可以得到在分子坐標(biāo)系下電 子的回復(fù)軌跡，最終找到回復(fù)動量k和相對應(yīng)的分子軸的取向角β之間的關(guān)系，所以，根據(jù)分 子軌道的重構(gòu)算法以及步驟S2中探測到的諧波譜可以得到分子軌道的躍迀偶極速度最終 可以得到分子軌道波函數(shù)。
[0048] 以下結(jié)合一個具體實(shí)施例對本發(fā)明方案做進(jìn)一步說明。
[0049] 圖2為正交雙色場，在本實(shí)施案例中，采用倍頻場，800nm波長的激光偏振方向沿X 軸，400nm波長激光偏振方向沿y軸，兩束激光強(qiáng)度均為I = 1.8 X 1014W/cm2，總的電場 H = E0/(t) siri(&)st)玄 + E0/(t)cos(2a\t)jl其中 f(t)為電場的梯形包絡(luò)， ? % ?sriη-二2? f(t> - I 1 ? < t <: 1? = CVI^To是800nm激光的光周期，激光脈寬Τ = 8Τ〇，Ε〇 (.··.% 叫 = 0.0716a.u.(a.u.為原子單位），ω iSSOOnm激光場的角頻率，t為激光脈沖作用的時間。
[0050] 采用經(jīng)典算法得到在該正交雙色場的作用下電子的運(yùn)動軌跡，得到在分子坐標(biāo)系 下電子的回復(fù)動量，如圖3(a)所示。其中黑色圓圈表示的是經(jīng)典算法統(tǒng)計得到的電子回復(fù) 動量?；疑珗A圈表示的是數(shù)值擬合的結(jié)果。由于犯最高占據(jù)軌道分別關(guān)于x、y軸對稱，所以 可以將第一象限的結(jié)果對稱到剩下三個象限內(nèi)。由諧波階次和電子回復(fù)動量的關(guān)系式，畫 出諧波階次為22th-30th與電子回復(fù)角度的關(guān)系示意圖，如圖3(b)所示。諧波階次和電子回 復(fù)角度之間為一對一，保證了在量子計算得到的每一次諧波都有唯一一個電子回復(fù)角度與 其對應(yīng)。
[0051] 使用相同的激光場與犯分子和參考原子Kr相互作用產(chǎn)生諧波，如圖4所示，圖中實(shí) 線表示分子的諧波譜，虛線表示Kr原子的諧波譜。我們選取22th-30th諧波進(jìn)行下面的軌道 重構(gòu)。
[0052] 由上述的分子軌道重構(gòu)算法，分別提取出分子和原子的諧波振幅和相位，由原子 Kr的偶極速度
得到分子的偶極速度，IPSKr原子的電 離能，fw電子的回復(fù)動量，進(jìn)而重構(gòu)出來分子的最高占據(jù)軌道Φ。如圖5(a)所示。并將圖5(a) 的軌道中心線和由傅里葉極限得到的軌道中心線做對比，如圖5(b)所示，盡管兩條線的振 幅稍微有偏差，這些偏差主要是由于選取的諧波譜范圍的限定導(dǎo)致的，但是兩個核間距近 似相等，保證了軌道結(jié)構(gòu)的主要信息被重構(gòu)出來。
[0053]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種用正交雙色場實(shí)現(xiàn)對稱分子軌道單發(fā)成像的方法，其特征在于，包括下述步驟： S1:根據(jù)電子被正交雙色場電離后的運(yùn)動軌跡，通過分析電子的回復(fù)能量和回復(fù)角度 之間的關(guān)系，確定激光參數(shù)； 所述激光參數(shù)包括:兩個偏振方向的激光場的頻率比為1:2，載波包絡(luò)相位分別為0，兩 個激光場的強(qiáng)度大小相等； S2:將具有所述激光參數(shù)的激光場和沒有經(jīng)過排列的對稱分子相互作用產(chǎn)生第一諧波 譜，并將所述激光場與參考原子相互作用產(chǎn)生第二諧波譜； S3:根據(jù)在第一諧波譜中選定的第一諧波譜段獲得所述對稱分子在不同偏振分量上的 高次諧波譜的振幅和相位;根據(jù)在第二諧波譜中選定與第一譜段相同寬度的第二諧波譜段 獲得所述參考原子在不同偏振分量上的高次諧波譜的振幅和相位;并對所述高次諧波譜的 振幅和相位進(jìn)行重構(gòu)處理后獲得所述對稱分子的分子軌道。2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述參考原子和所述對稱分子具有相同的電 離能。3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一諧波譜段與所述第二諧波譜段的階 次相同。4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一諧波譜段與所述第二諧波譜段為 22th-30th〇5. 如權(quán)利要求1-4任一項所述的方法，其特征在于，所述的對稱性分子為他，參考原子為 Kr〇6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的分子成像軌道為最高分子占據(jù)軌道 HOMOo
【文檔編號】G01N21/63GK106018354SQ201610316191
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月13日
【發(fā)明人】陸培祥, 張曉凡, 祝曉松, 張慶斌, 王彬誠
【申請人】華中科技大學(xué)