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近年来,超强、超短、超快自由电子激光新技术在世界得到前所未有的发展,已成为探索光与物质相互作用的全新工具。在原子分子领域,短波自由电子激光的应用主要体现在多光子非线性和超快电子原子分子的反应动力学及控制等领域。从简单He 原子到复杂化学生物分子、外壳层到内壳层、单光子到多光子、单脉冲到时间分辨的抽运探测、深紫外到硬X 射线,能量谱到有时间分辨的动量谱,实验取得了一系列重大突破,让人们在飞秒时间尺度和原子空间尺度下探索操纵量子规律成为可能。本文系统介绍了本领域的最新实验进展,通过几个代表性研究成果,展示短波自由电子激光在电子、原子、分子量子特性研究中的重要突破。
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53, 010002(2016)
激光与光电子学进展
Laser & Optoelectronics Progress
©2016《中国激光》杂志社
010002-1
自由电子激光场中原子分子实验研究进展
冯 赫
1,3
张逸竹
1
江玉海
1,2
1
中国科学院上海高等研究院, 上海 201210
2
上海科技大学物质科学与技术学院, 上海 201210
3
中国科学院大学, 北京 100049
摘要 近年来,超强、超短、超快自由电子激光新技 术在世界得到前所未有的发 展,已成为探索光与物质相互作用的
全新工具。在原子分子领域,短波自由电子激光的应用主要体现在多光子非线性和超快电子原子分子的反应动力学
及控制等领域。从简单 He 原子到复杂化学生物分子、外壳层到内壳层、单光子到多光子、单脉冲到时间分辨的抽运
探测、深紫外到硬 X 射线,能量谱到有时间分辨的动量谱,实验取得了一系列重大突破,让人们在飞秒时间尺度和原
子空间尺度下探索操纵量子规律成为可 能。本文系统介绍了本领域的最新实验进展,通过几个代表性研究成果,展
示短波自由电子激光在电子、原子、分子量子特性研究中的重要突破。
关键词 激光技术; 自由电子激光; 原子分子与光物理; 强场物理
中图分类号 O437 文献标识码 A
doi: 10.3788/LOP53.010002
Atomic and Molecular Experiments Progress in Free-Electron Laser Field
Feng He
1,3
Zhang Yizhu
1
Jiang Yuhai
1,2
1
Shanghai Advanced Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201210, China
2
School of Physical Science and Technology, ShanghaiTech University, Shanghai 201210, China
3
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract The free-electron lasers (FELs), a rapid developing technology as a new generation of advanced radiation
sources in the last decade, provide ultra-fast, ultra-intense, ultra-short wavelength laser pulses, becoming a robust
metrology to explore the forefront of light-matter interactions. In atomic, molecular and optical (AMO) physics, short-
wavelength FELs manifest their benefits in exploring multi-photon nonlinear phenomena, observing and controlling
reaction dynamics of electrons, atoms and molecules. Experimental advancements from simple helium atom to
complex bio-molecules, from outer-shell to inner-shell electrons, from single-photon to multi-photon processes,
from single pulse experiments to time-resolved pump-probe approaches, from extreme ultraviolet to hard X-ray
regimes, from energy spectra to time- resolved momentum spectra, have successively achieved, all of which are
accessible to observe and manipulate quantum world in aspatial scale of atoms and a temporal resolution of
femtosecond. The review selects very recent illustrative experimental results in this field and presents the
groundbreaking achievements in intriguing quantum behaviors of electrons, atoms and molecules under intense short-
wavelength FEL field, demonstrating the fundamental aspects of AMO physics.
Key words laser technique; free-electron laser; atomic, molecular and optical physics; strong-field physics
OCIS codes 140.2600; 020.4180; 260.3230; 260.5210; 260.7120
1 引 言
—
—自由电子激光国内外发展现状
自由电子激光能够提供从太赫兹(terahertz)波段到 X 射线波段的、波长连续可调的、高相 干性 的、高亮
度和超短脉冲的激光辐射,被视为继第三代同步辐射光源后的第四代大型先进科学研究平台。它的出现为
收稿日期: 2015-09-10; 收到修改稿日期: 2015-11-03; 网络出版日期: 2015-12-28
基 金 项 目: 国 家 973 计 划 (2013CB922200)、国 家 自 然 科 学 基 金 (11420101003,11274232,61308068)、上 海 市 科 委 项 目
(13ZR1463000)
作者简介: 冯 赫(1989—),女,博士研究生,主要从事原子分子理论计算研究。E-mail: fengh@sari.ac.cn
导师简介: 江玉海(1969—),男,博士,研究员,博士生导师,主要从事先进光源中原子分子动力学实验与理论研究。
E-mail: jiangyh@sari.ac.cn(通信联系人)
53, 010002(2016)
激光与光电子学进展
www.opticsjournal.net
010002-
利用激光探索微观量子世界提供了崭新的研究手段,在基础物理、材料学、化学及分子生物学等不同科学领
域和 交叉 学科中都有着广泛的应用,也期待新物理 、新 现象 、新 技术 的出 现。 近年 来,以欧盟和美国为首的
很多西方国家积极开展战略布局,先后建成多个从极紫外到硬 X 射线波段的大型自由电子激光光源。2005
年 底 ,位 于 德 国 汉 堡 的 自 由 电 子 激 光 装 置 FLASH(Free Electron Laser in Hamburg) 在 DESY(Deutsches
Elektronen Synchrotron)建 设完成,并 对用户开 放
[1]
。FLASH 能够提供 光子能量 在 28~295 eV 范 围内的 极
紫 外 (Extreme Ultraviolet, EUV) 激 光 脉 冲 ,脉 宽 为 30~300 fs,单 脉 冲 平 均 能 量 为 200 μJ
[2]
。 3 年 后 ,日 本
SPring-8 的验证型自由电子激光装置 SPring-8 Compact SASE Source (SCSS)也实现了极紫外波段的激光
辐 射 。 2012 年 ,日 本 SPring-8 建 成 了 更 大 型 的 硬 X 射 线 自 由 电 子 激 光 装置 Spring- 8 Angstrom Compact
Free Electron Laser (SACLA),成功得到了 1.2 nm 的 X 射线自由电子激光。SACLA 装置所提供的自由电子
激光光子能量范围为 4.5~15 keV,单脉冲平均能量为 300 μJ,脉冲宽度为 4.5~31 fs
[3-5]
。2009 年 4 月,美国斯
坦福大学直线加速器中心的直线加速器相干光源(Linac Coherent Light Source, LCLS)成功实现了 7.1~9.5
keV 的硬 X 射线自由 电子激光,单脉冲平均能量为 100 μJ,脉冲宽度小于 50 fs
[6-7]
。意大利 Trieste 的自由电
子激 光装 置采用更新的技术,利用种子激光抽运,产生 更稳 定、相干性更好的自由电子激光脉冲辐射,波长
范 围 覆 盖 10~100 nm,最 近 也 已 经 向 用 户 开 放
[8]
。 目 前 正 在 建 设 和 设 计 之 中 的 自 由 电 子 激 光 器 还 包 括
FLASH Ⅱ、LCLS Ⅱ 、欧洲(European XFEL)以 及瑞士 (Swiss FEL)的 X 射线自 由电子 激光器 。我国位 于上
海的软 X 射线自由电子激光装置 SXFEL 和大连极紫外相干光源 DCLS 也正在设计和建设中,预计 2016 年可
正式投入运行和使用。
随着自由电子激光技术的成熟与不断发展,人们已经可以获得高强度的极紫外甚至 X 射线激光光源
[9-11]
,
将光与物 质 的非线性 作 用区域拓 展 至了短波 长 范围,为 原 子分子物 理 学 研究提 供 了 强有力的 工 具。近年
来,利用极 紫外 及 X 射线自 由电 子激光对惰性气体原 子在强激光场中的电 离行 为进行了大量研 究,发现了
一些 新的物 理现象,并 通过理论计 算对这些现 象背后的物 理机制进行 了解释 。在 极紫外 波段内发现 了 He
和 Ne 原子非顺序 双光子双电离的“背对 背”电离机制
[12- 13]
;Xe 原子在极紫 外自由电子激光 场中的高阶 非线
性 4d 态 巨共振效应
[14- 15]
;超 强 X 射 线自由电子 激光场中的“空心 原子”以及 Xe 原 子和 Kr 原子 的共振增强 X
射线多电离现象
[16-17]
等。
自由电子激光器的另一个重要应用就是观察光化学反应中的超快动力学过程。化学反应中电子、原子
和分子的 动 力学过程 在 飞秒时间 尺 度,而自由 电 子激光辐 射 出 的飞秒 量 级 光脉冲能 够 满足这样 的 实验要
求,同时,引入在飞秒化学中非常成熟的时间分辨(抽运-探测)实验方法,结合先进的探测技术,如吸收或发
射光谱、光电离能谱(光子-离子/光电 子能谱),反应碎片动量分布和角分布等,实时测量分子在时域上的结
构变 化和 控制 电离 、解 离过 程中 的反 应通 道,再现分子内部的微观动力学过程。近年来已取得一系列研究
突破,如 N
2
分子在极紫外自由电子激光场中的多光 子 多 电 离 行 为
[18- 21]
及在 X 射 线 激 光 脉 冲 照 射 下 产 生 的
double core-hole 态的研究
[22-24]
、D
2
分子的顺序与非顺序双电离行为
[25]
及其核波包演化的动力学过程研究
[26]
、
解离中的 I
2
n+
电子转移动力学过程的时间分辨研究
[27]
以及对简单多原子分子体系 C
2
H
2
异构化过程
[28]
、CH
3
I 和
CH
3
SeH 解离中电荷转移动力学过 程的时间分辨研究
[29- 31]
等。利用自由电子激光对上述简单分 子体系进行
的一系列研究为人们更深刻地认识分子微观过程提供了基准实验数据。
利用自由电子激光辐射源开展的原子分子物理实验,和传统辐射光源(包括同步辐射光源、钛宝石飞秒
激光器等)相比,其对于原子分子超快动力学过程的研究有着独特的优势。同步辐射光源可提供很高的光子
能量,波长在很大范围内连续可调,但与自由电子激光相比,同步辐射光源的强度较低、相干性较差,很难实
现利用自由电子激光进行的时域(抽运-探测)动力学实验。同步辐射光源与原子分子相互作用时,绝大多数
情况 下只 涉及 到单 光子 吸收 过程 ,极 少发 生多 光子吸收的非线性行为。和钛宝石飞秒激光器相比,自由电
子激 光的 光子 能量 较高 且连 续可 调,能够与原子的内壳层电子相互作用,通过单光子或多光子吸收将原子
激发至特定激发态。钛宝石激光器输出的脉冲光子能量比较低,比较适合激发分子的转动、振动能级跃迁,
只能和最外层电子相互作用,和自由电子激光关注的物理过程完全不同。新一代的自由电子激光同时具备
了同步辐射高光子能量、波长连续可调的特点,和钛宝石飞秒激光短脉冲、高亮度的优点,产生短脉冲、高亮
度、高相干性、波长连续可调的激光脉冲。结合相干 X 射线衍射成像和时间分辨实验方法,最终能够直接观
2
53, 010002(2016)
激光与光电子学进展
www.opticsjournal.net
010002-
察单个生物分子功能反应过程中的结构变化,制作一部关于物质内部结构变化的“分子电影”。
同时 ,通 过对简单原子分子体系与自由 电子 激光 场相互作用的深入研究,相关的实验经验及研究成果
可以推广到复杂分子(材料科学或生物分子)的结构学与动力学研究,为理解复杂分子的动力学过程和相干
衍射 成像 的实 验结果奠定基础。原子分子与光物理学的实验已成为 现阶 段自 由电 子激光实验工作线站应
用的重要组成部分,相关的综述性文献可参见[4,25,32-36]。自由电子激光光源由于其更优异的光学特性,
也为 其他领域的科学 研究提供了更先 进的实验手段。 最受 关注的就是利用 X 射线自由电子激 光的相干衍
射成像(Coherent Diffraction Imaging)技术,这种成像技术是基于光源的超高强度和超短脉冲特性,在飞秒
(10
-15
s)时间尺度,对单分子、相对质量较大的高分子化合物和具有复杂结构的非结晶性生物样品,如细胞、
病毒、膜蛋白纳 米晶等,实现在功能反应过程中瞬时结构 成像
[37- 40]
。因此,基于自由电子激光的相干衍射成
像方 法可 以针 对不 能结 晶的 非周 期结 构样 品进行单次成像,在分子反应进行时,在飞秒时间尺度重构复杂
样品的瞬态结构。自由电子激光在原子分子物理学领域取得了很多新的研究进展,其在简单原子分子体系
的成功应用为今后对复杂体系功能反应的瞬态成像打下了坚实的基础。本文选取一系列最新的实验结果,
综述这 方面的 工作进 展。第一 部分主 要介绍 在极紫 外及 X 射 线自由 电子激光 场中惰 性气体 原子(He、Ne、
Xe 和 Kr)的电离行为;第二部分则主要介绍简单分子体系在极紫外及 X 射线自由电子激光场中的时间分辨
(抽运-探测)研究,重点关注电子与原子核在光激发分子反应动力学中的实验结果;最后总结全文,并展望基
于自由电子激光的原子分子物理学未来的发展方向。
2 自由电子激光场中惰性气体原子的光电离激发
自由电子激光辐射可以提供高强度的相干辐射,这为研究短波多光子吸收多电子电离激发的非线性现象
提供了可能,这些非线性光学现象呈现出复杂的电子-电子强关联,进一步提升人们对强关联体系的认知。下
面介绍几个最新的实验结果,呈现了自由电子激光和惰性气体原子相互作用时的复杂关联动力学行为。
2.1 极紫外自由电子激光场中 He 原子双光子双电离研究
单光子双电离是研究电子-电子强关联与光和电子非 线性 相互作用的基本过程,实验主要利用第三代
同步辐射光 源来完成
[41]
。研究发现 随着入射光 子能量 的变 化,两 个电离电子 呈现出不同 的电离 动力学,即
kick out 和 shake off 机制
[42]
。当入射光子能量比较高时,一个电子会携带大量能量和另外一个慢电子沿着
同一方向离开;相反,入射光子能量比较低时,两个电子倾向携带相同的能量,背对背电离。经过近 10 年的
实验和理论研究,这些观察到的有趣现象在偶极近似下可以得到很好的理解
[43]
。
双电子电 离 在 红 外飞秒激光 场 中 也 呈现复杂 的 物 理 机制,这时电 子 电 离 的主要机制 为 场 电离。1983
年,L′Huillier 等
[44]
在研究双电离离子产率与激光强度的依赖关系时,从 Xe 原子的双电离离子产率中观察到
了 奇 特 的“ 膝 盖 状 (knee)”结 构 ,这 是 强 激 光 场 中 一 个 重 要 研 究 方 向
—
— 非 顺 序 双 电 离 (Nonsequential
Double Ionization,NSDI)。 随 后 ,Fittinghoff 等
[45]
在 He 原 子 强 场电离实验 中 也 观 察 到 了 非 顺 序 双 电 离 现
象。但是直到 1994 年,Walker 等
[46]
实现对 He 双电离率的精确测量之后,这方面的研究才受到更多物理学家
的广 泛关 注。 他们 的实 验数 据显 示,在一定的光强范围内,原子的双电离率比单电子近似的理论模型所预
言的结果高出 5~6 个数量级,二价与一价离子的比率曲线随着场强的增大呈现出“膝盖状”结构,具体表现为
两者比率首先快速增长,然后基本保持不变,最后又快速增长,显示出电子关联在双电离中的重要作用。理
论研究提出了以振离(Shake-off)、集体隧穿(Collective Tunneling)以及再碰撞为主的物理机制用来解释强
场中非顺序双电离现象。
为了 更加深入了解 He 原 子的强场非顺序双电 离机 制,人们研究了激光 场偏 振、强度、波长以及电离原
子本身属性 的影响 。Weber 等
[47]
利用冷靶反 冲离子 动量谱仪(COLTRIMS)观察了 He 二价离 子沿激 光偏振
方向的动量 分布,首次观 测到 了离子 动量谱的双 峰结构 。2007 年,Staudte 等
[48]
在 4.5×10
14
W/cm
2
激光强度
下测 量了 He 原子 非顺序双电离的电子相关 动量 谱,首次在沿激 光偏 振方向的关联电子动量分布中 观察 到
了“finger”形 (“V”型)结构 。同年 ,Rudenko 等
[49]
在光强 高达 1.5×10
15
W/cm
2
下也观 测到类似 的现象。 近几
年,国内北京、武汉、长沙等课题组在该领域也完成一系列很好的实验和理论工作,这里就不再一一列举。
极紫 外自由电子激光在原子分 子领 域的一个重要应用就 是研 究介于前面介绍的单光子 双电 离和红外
3
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