基于分子物理學的靜電激光復合場取向問題研究

段程天

摘 要：本文通過將激光場與靜電場復合進行基態CO分子的取向研究，討論了激光場的長、短脈沖下的絕熱作用以及非絕熱作用。通過計算結果表明，對于基態的CO分子在靜電場與激光場復合的過程中會產生隧道對能級耦合作用，這種作用會使得基態CO分子的取向大大增強，在絕熱的情況下，即便是較弱的靜電場與激光場復合都會得到較好的取向效果；在非絕熱的情況，分子取向效果同樣也可以很好的獲得，并且這種取向還會周期性的重現，最后進一步分析了激光場與靜電場強度以及溫度對于取向度的影響情況。

關鍵詞：基態CO分子；取向；復合場

中圖分類號：O561 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）03-0240-01

長期以來對于轉動常數較小以及偶極距較大的分子的研究是獲得較高的空間取向度的必然選擇。在本文當中，通過利用物理學的靜電和激光相耦合的方法進行分子物理學的取向問題研究，經過研究表明利用這種復合場的方法可以大大增強基態的一氧化碳分子的取向度。并且還可以實現兩種模式，即絕熱和非絕熱兩種模式。絕熱模式可以實現較大的分子取向，而非絕熱模式則可以實現取向的周期性再現過程，通過對這兩種模式的研究為進一步的應用研究以及實驗等分子復合場取向提供了理論依據與參考。

1 理論

分子與復合場之間的關系是通過Hamilton量相互作用的，其表達式可以寫為其中，B—轉動常數；J—分子總角動量算符；—夾角；—分子各向異性極化率。對于絕熱態的作用可以視為激光脈沖強度足夠大，非絕熱的情況可以視為激光脈沖半高全線寬不大于轉動周期的情況，這是可以最終獲得分子取向隨著時間的變化而發生變化的演化關系情況。

在復合作用過程中，會產生一個雙阱勢，產生它以后被束縛在雙阱勢中的分子這時的擺動態就將以隧道對的形式出現。相反的宇稱也會在這樣的隧道對中出現，而且其強度會隨著激光的強度增強而增強。靜電場與激光場的復合會最終使得能級分裂的量子出現取向相反的情況，這也就造成了較弱的靜電場由于強激光場的作用最終出現較大的分子取向[1]。

2 結果與分析

通過上面的分析，激光與分子的復合存在著兩種模式，通過對兩種模式下的復合場取向進行研究。在絕熱的情況下將靜電場加入到復合場中去，并且認為分子轉動周期是遠遠小于激光的脈沖渡越時間的，在這種情況下一般會稱其為絕熱作用過程。電場的加入使得強激光場下產生的隧道對向著相反的方向分裂，并且能級在復合場下的變化還是相當的大的。通過相關的理論計算，分子軸的取向會由于能記得變化而因此加劇[3]。分子軸取向度會隨著電場的強度的增加而增加，即便是電場的強度比較小，但是這種分子取向的變化卻是非常的大，在達到一個定值之后這種增加將趨向于飽和，單獨的電場是難以獲得較大取向的，可是一旦參有激光場就會不同，因為激光場的加入會使得分子的態產生隧道對，這就使得即便是較弱的靜電場也會引起取向度的較大程度變化。

綜合以上的分析可以發現隧道對的兩個態都會受到復合場中兩個場的影響而增大的情況，并且這兩個取向的方向是相反的，這樣的結果最終勢必會引起分子整個體系的取向度的變化。

接下來將靜電場在絕熱情況下加入，來研究激光脈沖寬不大于轉動周期的基態一氧化碳分子的取向度情況，雖然這種情況是在絕熱情況下將靜電加入的但還是復合場分子的非絕熱作用。之前有研究者進行過相關方面的研究，但歸結起來只是考慮了單激光場的作用，而在這里我們進行復合場對基態一氧化碳分子的取向研究。通過計算以后發現，這種情況下不但具備對取向增強的效果還能夠實現取向隨時間周期的重現。

在非絕熱作用下的復合場中，取向度受到來自于溫度的影響依然是很大的，這種影響可以從下文中能夠發現。在5K這個溫度下的時候，取向度的大小只不過是低于0.2的水平，可是隨著溫度不斷的升高，分子的取向度卻發生急劇的降低，伴隨著的是取向峰值之間的間距卻在不斷地變寬[2]。

在進行分析的過程中，復合場是由激光與靜電場復合而成，為了取得較好的復合效果，需要控制好激光場的強度。在計算的過程中，我們選取的是剛性轉子的模型，利用這種模型如果激光的強度太強就會使得分子的取向出現飽和甚至是下降的狀況，這樣以來剛性轉子因為沒有考慮到振動會出現較大的偏差，為此需要研究分子的取向度值隨著激光強度的變化影響情況。

在非絕熱的情況下，需要考慮取向度值受到靜電場的強度的影響。在文中示出了分子取向度值隨著靜電場值增大的變化情況，可以發現是隨著其變大而增大的。在溫度選為5K時，這種趨勢最后會變為飽和狀態。但是也并不是靜電場強度越大越好，而是要考慮到實驗的裝置水平以及選用的模型的使用程度等因素。

3 結語

通過以上的研究表明，基態CO分子在復合場作用下，由于產生的隧道對的能級耦合效應會使得其取向度值大大高于單獨靜電場時的值。如果是長脈沖激光與靜電場復合，即使靜電場很弱也能夠產生很大的取向度。而如果是短脈沖激光與靜電場耦合，這種情況只有在脈沖寬度與分子轉動周期相當時才可以獲得較大的分子取向度，除此之外，這樣的分子取向還會周期性的重現。通過對溫度對分子取向度的影響的研究發現，溫度的影響是很大的，這也就指出了復合場取向實驗的建立在冷分子的基礎上建立起來的。最后在研究復合場中激光和靜電場強度對分子取向的研究時發現，分子取向值會隨著二者強度的增強最終趨于飽和。以上這些研究成果為今后進行相關方面的研究提供了理論依據，具有較好的指導意義。

參考文獻

[1]羅琴，宋曉書.外電場作用下的CO分子特性研究[J].西南大學學報（自然科學版），2010（8）.53-55.

[2]宣麗，烏日娜，彭增輝.摩擦處理的取向膜表面液晶分子取向度[J].中國科學，2002（5）：590-594.