中等光强纳秒激光电离苯团簇产生多价碳离子的数值模拟和-物理学报.PDF

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中等光强纳秒激光电离苯团簇产生多价碳离子的数值模拟和-物理学报

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 10 (2014) 103602 中等光强纳秒激光电离苯团簇产生多价碳离子的 数值模拟和实验研究 赵无垛 王卫国 李海洋 1)(中国科学院大连化学物理研究所, 大连 116023) 2)(中国科学院大学, 北京 100049) ( 2013 年12 月9 日收到; 2014 年1 月3 日收到修改稿) 飞秒强激光与团簇相互作用产生多价离子的现象已被广泛报道, 然而近期多个研究小组发现当功率密度 低至10 W/cm 的纳秒激光照射团簇时, 同样也观察到了多价离子的存在. 虽然可以用“多光子电离引发- 逆韧致吸收加热- 电子碰撞电离” 电离机理对这种现象进行解释, 但是缺乏相应的数值模拟. 建立了一个简化 的数值模型, 根据有质动力势p 计算团簇内电子能量, 再由Lotz 公式计算出相应的电离截面, 最后由动力学 反应速率方程计算出团簇内多价碳离子随时间的演变. 详细分析了团簇尺寸、电子密度等关键参数对多价离 子产生的影响. 数值模拟结果表明: 团簇电离在小于0.7 ns 时间尺度内完成, C , C 和C 多价离子强度 达到平衡后, 离子相对强度由大到小依次为C , C , C , 这与实验结果相一致; 多价离子的价态随着团簇 尺寸的增加而升高, 半径为5.6 nm 的苯团簇比半径为3 nm 的苯团簇更容易产生高价态的离子, 这也与实验 结果相一致. 关键词: 带电团簇, 碰撞电离, 数值模拟研究 PACS: 36.40.Wa, 34.80.Dp, 75.40.Mg DOI: 10.7498/aps.63.103602 近些年来, 国内外学者发现功率密度低至 1 引 言 10 —10 W/cm 的中等光强纳秒激光与团簇相 互作用产生多价离子的现象具有普遍性. 先后 由于自身的特性, 团簇对激光具有高的吸收效 在苯、氙气、氪气、氨和碘甲烷等团簇体系中观察 率, 同时在真空下自身体积有限吸收的能量不易向 到多价离子C , Xe, Kr, N 和I 的产 周围迅速扩散, 使得团簇与激光作用时会产生很多 生1925 . 这种现象引起了国际上其他研究小组 有趣的现象, 例如多价离子、高能电子、X 射线甚至 的兴趣, 并开展了类似的研究工作2627 . 但多价 核聚变13 . 近些年, 国内的一些研究机构在这方 离子在中等光强的纳秒激光场和飞秒强激光场中 面取得了很多成果415 . 目前已有多个理论可用 的产生机理有着本质的不同2830 , 关于多价离 于解释飞秒强激光与团簇相互作用产生多价离子 子在激光功率密度为10 W/cm 的中等光强激光 16 的现象, 如Rose-Petruck 等 提出的“电离点火” 场中的电离机理仍缺乏相应的研究. 鉴于苯的高 17 模型, McPherson 等 提出的“相干电子运动” 模 度对称性, 国内外学者开展了大量关于中等光强 18 型以及Ditmire 等 建立的“纳米等离子体” 模型. 激光电离苯团簇的实验工作并研究了相关的电离 这些理论中激光电磁场强度与分子价电子电场相 规律.

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