飞秒时间分辨质谱和光电子影像对分子激发态动力学的研究

分子量子态的研究,特别是分子激发态演化过程的研究不仅可以了解分子量子态的基本特性和量子态之间的相互作用,而且可以了解化学反应过程和反应通道间的相互作用.飞秒时间分辨质谱和光电子影像是将飞秒抽运-探测分别与飞行时间质谱和光电子影像相结合的超快谱学方法,为实现分子内部量子态探测,研究分子量子态相互作用及超快动力学过程提供了强有力的工具,可以在飞秒时间尺度下研究单分子反应过程中的光物理或光化学机理.本文详细介绍了飞秒时间分辨质谱和光电子影像的技术原理,并结合本课题组的工作,展示了这两种方法在量子态探测及相互作用研究领域,特别是激发态电子退相、波包演化、能量转移、分子光解动力学以及分子激发态结构动力学研究中的广泛应用.最后,对该技术的发展前景以及进一步的研究工作和方向进行了展望.     

飞秒时间分辨的能谱分析光电子显微镜：异质结超快载流子动力学测量

本文成功搭建了一套集成了能谱分析功能的时间分辨光电子显微镜系统(TR-PEEM),能够对电子密度分布进行时间分辨和能量分辨的成像.这套4D显微镜在空间、时间、能量多维度获取电子动力学信息提供了前所未有的手段.本文使用184 fs的时间分辨、150 meV的能量分辨和优于150 nm的空间分辨对半导体进行了测量,在Si(111)表面的Pb岛上获得了微区光电子能谱和能量分辨的TR-PEEM图像.实验结果表明,这套系统是进行异质结载流子动力学观察的有力工具,有助于在亚微米/纳米空间尺度和超快时间尺度上加深对半导体性质的理解.     

利用强飞秒激光脉冲串传递相干波包

用一维两态波包动力学模型从理论上研究了碘分子在两个激光脉冲串作用下有泵浦－拉下过程。计算中碘分子的基态和激发态势能面采用莫尔斯势能面,含时薛定谔方程通过分裂算符快速富里叶变换方法求解,基电子态的振动本征函数采采不连续变量方法计算,初步波包选择为电子基态的振动基本征函数,两个势能面之间的耦合采用偶极近似,激光脉冲的形状选择为高斯脉冲。利用上述的含时波包法实时地模拟了碘分子通过中间Ｂ态向基电子Ｘ态的高     

2-甲基吡嗪分子激发态系间交叉过程的飞秒时间分辨光电子影像研究

飞秒时间分辨光电子影像技术和飞秒时间分辨质谱技术相结合,研究了2-甲基吡嗪分子电子激发态超快非绝热弛豫动力学.用323 nm光作为泵浦光,把2-甲基吡嗪分子激发到第一激发态S₁,用400 nm光探测激发态演化过程.通过时间分辨质谱技术测得S₁态的寿命为98 ps.实验中,实时观察到了单重态S₁向三重态T₁的系间交叉过程.通过分析发现,跟吡嗪分子S₁态的动力学过程不同,2-甲基吡嗪分子激发到S₁态后,不仅S₁→T₁系间交叉过程是S₁态主要衰减通道,S₁→S₀内转换过程也是S₁态另一个主要衰减通道.发挥飞秒时间分辨光电子影像技术的优点,实验上得到不同泵浦-探测时间延迟的光电子角分布,从角分布信息结合光电子能谱信息,尝试观察2-甲基吡嗪分子的非绝热无场准直,但由于2-甲基吡嗪分子对称性比吡嗪分子更低,对称性更低分子准直现象的观察更有...     

用质谱和光电子能谱研究飞秒强场中的电离动力学

报导了用自制飞秒激光器通过飞秒多光子电离质谱和光电子能谱对飞秒强激光场与分子（氨、苯）相互作用的研究,飞秒激光脉宽约１００ｆｓ,二倍频中心波长４０７．５ｎｍ,聚焦后脉冲功率密度达到１０＾１２Ｗ／ｃｍ＾２,氨的光电子能谱显示了（２＋２）ＲＥＭＰＩ和（２＋２）＋１ＡＴＩ、（２＋２）＋２ＡＴＩ三组电子峰,每组峰又包括伸缩振动ｖ１的带系,ＡＴＩ峰的振动布居出现反转,随着光强增加,谱峰加宽而且振动能级出现平     

三态K2分子飞秒含时光电子能谱的理论研究

利用三态模型和含时波包法, 研究了K₂分子在强飞秒抽运-探测激光场中延时、脉宽以及抽运波长对光电子能谱和波包动力学过程的影响. 研究结果表明, 激光场强较弱或者脉宽较短都可能不发生Autler-Townes分裂, 光电子能谱呈现出单峰结构; 延时和抽运波长的改变影响能峰结构、位置和相对峰高; 对于不同的抽运波长, 波包的振动周期是相同的, 波包振荡幅度随脉宽增大而减小; 光电子能谱反映了波包动力学信息. 研究结果可以为实验上实现分子的光控制以及量子调控过程提供一定的参考, 并为进一步研究K₂分子的动力学性质提供有用的信息.     

N-乙基吡咯S1态超快动力学：飞秒时间分辨光电子成像研究

N-乙基吡咯是吡咯分子的一个乙基取代衍生物,它的激发态衰变动力学目前为止很少被研究. 本文利用飞秒时间分辨光电子成像的实验方法研究N-乙基吡咯分子S₁态的衰变动力学. 实验采用241.9和237.7 nm的泵浦激发波长. 在241.9 nm激发下,得到5.0±0.7 ps,66.4±15.6 ps和1.3±0.1 ns三个寿命常数. 在237.7 nm激发下,得到2.1±0.1 ps和13.1±1.2 ps两个寿命常数. 所有寿命常数都归属为S₁态的振动态. 本文并对不同S₁振动态的弛豫机理进行了讨论.     

2-羟基吡啶S1态超快动力学

本文利用飞秒时间分辨的光电子成像技术研究了2-羟基吡啶分子在276.9∽250.0 nm波长范围的紫外光激发条件下S₁态的衰变动力学. 根据衰变动力学的泵浦波长相关性,提出了一种衰变机制. 在276.9 nm泵浦波长下,S₁态主要通过系间穿越到更低的三重态衰变. 在264.0 nm泵浦波长下,系间穿越到三重态和内转换到基态的通道同时存在. 在250.0 nm泵浦波长下,内转换到基态过程占据主导.     

飞秒时间分辨拉曼光谱用于研究β-胡萝卜素单重激发态内转换和振动弛豫过程

搭建了飞秒时间分辨受激拉曼光谱(FSRS)装置,并用于研究全反式β-胡萝卜素单重电子激发态超快内转换和振动弛豫过程.基于三脉冲“抽运-探测”方案搭建的时间分辨受激拉曼光谱装置同时实现了150fs的时间分辨率和23.7cm^-1的光谱分辨率,光谱检测范围为300—4000cm^-1.对全反式β-胡萝卜素电子激发态的飞秒时间分辨拉曼光谱研究表明,β-胡萝卜素被激发到S₂态后,经由寿命约为0.3ps的中间态S_X态实 关键词： 飞秒时间分辨拉曼光谱 β-胡萝卜素 激发态内转换 振动弛豫     

飞秒时间分辨拉曼光谱用于研究β-胡萝卜素单重激发态内转换和振动弛豫过程

搭建了飞秒时间分辨受激拉曼光谱(FSRS)装置，并用于研究全反式β-胡萝卜素单重电子激发态超快内转换和振动弛豫过程.基于三脉冲“抽运-探测”方案搭建的时间分辨受激拉曼光谱装置同时实现了150fs的时间分辨率和23.7cm^-1的光谱分辨率，光谱检测范围为300—4000cm^-1.对全反式β-胡萝卜素电子激发态的飞秒时间分辨拉曼光谱研究表明，β-胡萝卜素被激发到S₂态后，经由寿命约为0.3ps的中间态S_X态实     

利用时间切片离子速度成像技术对AlO在193 nm的光解反应动力学研究

本文利用时间切片离子速度成像技术对AlO分子在193 nm下的光解反应动力学进行了研究. 实验通过产物Al⁺的离子速度和角度分布分析,发现了两个光解离反应通道,分别为中性AlO分子的单光子解离生成产物Al(²P_u)+O(³P_g)的通道,和AlO分子吸收两个光子电离产生AlO⁺进而解离生成产物为Al⁺(¹S_g)+O(³P_g)的反应通道. 每一个解离通道包括了AlO(v=0∽2)振动态的贡献,其中中性解离反应通道与离子解离反应通道相比,产物的各向异性参数对AlO的振动态依赖更大.     

时间切片离子速度成像技术关于MgO在193 nm的光解反应动力学研究

本文利用时间切片离子速度成像技术对MgO分子在193 nm下的光解反应动力学进行了研究. 实验通过产物Mg的速度和角度分布分析,发现了三个光解反应路径. 路径一为MgO(X¹Σ⁺)态分子吸收一个光子到MgO(G¹π) 态,由于G¹π, 3³π和1⁵π态之间的自旋轨道耦合作用,反应沿着1⁵π的势能面解离生成产物Mg(³P_u)+O(³P_g). 路径二、三分别为MgO(A¹π)态分子吸收一个光子到MgO(G¹π)态和MgO(4¹π) 态,进而解离生成产物Mg(³P_u)+O(³P_g)和Mg(¹S_g)+O(¹S_g). 光解离路径的各向异性参数与振动能级的寿命以及转动和振动自旋轨道态的耦合有关. 从总动能分析得到D₀(Mg-O)=21645±50 cm^-1.     

利用时间分辨的光电子影像技术研究2,6-二甲基吡啶分子锥形交叉超快动力学

利用时间分辨的飞秒光电子影像技术结合时间分辨的质谱技术,研究了2,6-二甲基吡啶分子锥形交叉超快动力学过程. 2,6-二甲基吡啶分子吸收266 nm泵浦光从基态跃迁至S₂态(π-π^*). 母体离子时间变化曲线包含两个指数函数,一个是时间常数为635 fs的快速组分,另一个是时间常数为4.37 ps的慢速组分. 通过时间分辨光电子影像得到的时间依赖的光电子角度分布和能量分辨的光电子谱分布提供了S₂态演变的动力学信息. 简言之,快速组分反映了通     

用于飞秒时间分辨分子反应动力学研究的千赫兹离子/电子速度成像仪

A new velocity map imaging spectrometer is constructed for molecular reaction dynamics studies using time-resolved photoelectron/ion spectroscopy method.By combining a kHz pulsed valve and an ICCD camera,this velocity map imaging spectrometer can be run at a repetition rate of 1 kHz,totally compatible with the fs Ti:Sapphire laser system,facilitating time-resolved studies in gas phase which are usually time-consuming.Time-resolved velocity map imaging study of NH₃ photodissociation at 200 nm was performed and the time-resolved total kinetic energy release spectrum of H+NH₂ products provides rich information about the dissociation dynamics of NH₃.These results show that this new apparatus is a powerful tool for investigating the molecular reaction dynamics using time-resolved methods.     

ZrO-双原子阴离子的光电子成像谱

利用激光溅射制备了ZrO^-双原子阴离子,测量了其光电子成像谱．实验观测到的光电子能谱可以在光学光谱和高精度从头计算的基础上得到很好的归属．ZrO^-的基态确定为²△态,其自旋-轨道分裂能为578±12 cm^-1,ZrO的电子亲和能测定为1.249±0.005 eV．第一次在实验上观测到ZrO的c³∑^-激发态,其相对于X¹∑⁺基态的能量为13316±24 cm^-1,同时还对ZrO与其等电子体NbN的电子结构进行了比较．     

Photoelectron imaging of 8p Rydberg states of atomic iodine following methyl iodide A-band decomposition

Photoelectron imaging technique has been applied to study (2 + 1) REMPI of atomic iodine through 8p Rydberg states around 253 nm. Full three-dimensional state-specific speed and angular distributions of the photoelectrons were recorded. The branching ratios among the different I⁺ levels revealed that the perturbation on (³P₂)8p series is particularly large among the (³P₂)np series. The violation of core-conserving ionization is attributed to the interactions between the (³P₂)8p and (¹D₂)6p series. The photoelectron angular distributions were found to be well characterized by P₂(cos θ) and P₄(cos θ). A relatively high positive β₂ and a relatively low β₄ observed in (2 + 1) REMPI process indicated that the ionization process can be approximately considered as single-photon ionization via the weakly aligned (³P₂)8p intermediate states.     

飞秒时间分辨离子成像研究NO2分子通道分辨超快解离动力学

本文利用飞秒激光泵浦-探测质谱和离子成像研究了NO_2分子的超快解离动力学.结果表明NO~+离子的动能释放包含两个部分,分别对应的能量是0.05和0.25 eV,并且指认了它们叫能的解离通道.NO~+离子通道分辨的瞬态测量提供了区分超快解离路径贡献的方法,不同动能释放的离子信号变化曲线可以通过双e指数函数进行拟合.其中衰减时间为0.25 ps的快速变化部分产生于里德堡态的演化.变化较慢的信号部分是山两个竞争的通道产生的,其中一个通道是吸收一个400 nm光子到A~2B_2激发态,它的衰减寿命是30 ps;另一个慢的通道是吸收三个400 nm光子到一个价电子类型的里德堡态,它的衰减寿命是短于7.2 ps.通道和时间分辨的实验测量对于区分分子复杂的超快解离动力学具有非常大的潜力.     

不同温度下二氧化硅纳米管的结构和振动性质的分子动力学模拟

采用三种势能模型, 利用分子动力学模拟研究了在300～1600 K内4、6和8元环的二氧化硅纳米管. 结果表明,三种纳米管的末端环的稳定性随温度的升高而降低. 通过振动态密度考察了二氧化硅纳米管的有效振动特性. 以及不同温度下二氧化硅纳米管的红外光谱.     

甲醛和过氧化氢分子振动光谱的路径积分刘维尔动力学模拟

本文采用路径积分刘维尔动力学计算偶极矩时间导数的关联函数来得到红外光谱,通过与真实振动频率相比,发现路径积分刘维尔动力学可以比较忠实地描述振动动力学过程中的核量子效应,能够准确刻画系统温度变化和同位素取代效应引起的振动光谱变化.