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Pavicic, Domagoj (2004): Coulomb Explosion and Intense-Field Photodissociation of Ion-Beam H2+ and D2+. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

As the simplest molecule in nature, the hydrogen molecular ion provides a unique system for studying molecules in intense laser fields. In this thesis, the Coulomb explosion and photodissociation channel of H2+ and D2+ have been investigated with 790-nm, sub-100-fs laser pulses by employing a high-resolution photofragment imaging technique. Unlike most experiments, where neutral molecules were used as a target, in this work molecular ions were prepared by an electric discharge, providing well-defined starting conditions and allowing experiments at lower intensities. At intensities close to the threshold for Coulomb explosion (<10^14 W/cm^2), we observed a peak structure in the Coulomb explosion kinetic energy spectra in both H2+ and D2+. We show that the observed peaks can be attributed to the different dissociation energies of vibrationally excited molecules. Furthermore, this preservation of the vibrational structure during the Coulomb explosion suggests ionization at one well-defined critical internuclear distance. Moreover, when using pulses with durations of 200-500 fs, we found three Coulomb explosion kinetic energy groups with different angular distributions in both molecular ions. The groups in D2+ at a pulse duration of 350 fs and an intensity of 1x10^14 W/cm^2 strongly suggest critical internuclear distances of 8, 11 and 15 a.u. In the one-photon photodissociation study of D2+ at intensities below 2x10^14 W/cm^2, we obtained vibrationally resolved fragment velocity distributions. With increasing intensity, we observed the effects of bond softening - narrowing of the angular distributions and vibrational level shifting. These effects were also found in H2+ and are in agreement with the model of light-induced potentials. In addition, in the kinetic energy spectra of D2+, we found the smaller widths of the vibrational peaks, which we interpret as being due to the longer lifetimes of the vibrational states of D2+ against photodissociation. Moreover, we observed fragments with near-zero kinetic energies with broad angular distributions, indicating dissociation through a vibrational trapping mechanism. In the two-photon bond softening process (above-threshold dissociation) of H2+, we identified fragments from the single vibrational level v=3. At higher intensities, lower-energy fragments with increasing alignment were observed, suggesting dissociation of the levels v<3 through the barrier lowering mechanism. These results provide a basis for quantum mechanical simulations that could lead to a better understanding of the molecular dynamics in intense fields.

Abstract

Das elementarste Molekül in der Natur, das Wasserstoff-Molekülion, stellt ein einzigartiges System für die Untersuchung von Molekülen in intensiven Laserfeldern dar. In dieser Dissertation wurden die Coulomb-Explosion und die Photodissoziation des H2+ und D2+ mit 790-nm, sub-100-fs Laserpulsen unter Verwendung einer hochauflösenden Photofragment Abbildungstechnik untersucht. Im Gegensatz zu den meisten Experimenten, in denen neutrale Moleküle als Ausgangsmoleküle benutzt wurden, wurden in dieser Arbeit die Molekülionen durch eine elektrische Gasentladung erzeugt, was zu wohldefinierten Ausgangsbedingungen führte und Experimente mit relativ niedrigen Laserintensitäten ermöglichte. Bei Intensitäten nahe der Schwelle der Coulomb-Explosion (<10^14 W/cm^2), beobachten wir eine Peak-Struktur in den kinetischen Energiespektren der Fragmente der Coulomb-Explosion sowohl bei H2+ als auch bei D2+. Wir stellen fest, dass die beobachteten Peaks den unterschiedlichen Dissoziationsenergien der vibrationsangeregten Moleküle zugeordnet werden können. Die Erhaltung der Vibrationsstruktur bei der Coulomb-Explosion deutet darauf hin, dass die Ionisation bei einem scharfen kritischen internuklearen Abstand stattfindet. Als wir Laserpulse mit einer Dauer von 200–500 fs verwendeten, entdeckten wir drei Coulomb-Explosions Zentren in den kinetischen Energiespektren mit unterschiedlichen Winkelverteilungen bei beiden molekularen Isotopomeren. So entsprechen die Gruppen bei D2+ bei einer Pulsdauer von 350 fs und einer Intensität von 1x10^14 W/cm^2 kritischen internuklearen Abständen von 8, 11 und 15 a.u. Bei der Untersuchung der 1-Photonen Photodissoziation des D2+ beobachten wir bei einer Intensität unterhalb 2x10^14 W/cm^2 vibrationsaufgelöste Geschwindigkeitsverteilungen der Fragmente. Mit zunehmender Intensität beobachten wir auch Effekte des bond softenings – Einengung der Winkelverteilung und Verschiebung der Vibrationsniveaus. Diese Effekte wurden auch schon vorher bei H2+ beobachtet und finden ihre Erklärung in dem Modell der lichtinduzierten Potenziale. Insbesondere finden wir in den kinetischen Energiespektren von D2+ kleinere Breiten der Vibrationspeaks, deren Ursache längere Lebensdauern der Vibrationszustände von D2+ bei der Photodissoziation sein sollten. In dem Prozess des 2-Photonen bond softenings von H2+ identifizieren wir Fragmente des einzelnen Vibrationsniveaus v=3. Bei höheren Intensitäten wurden niederenergetische Fragmente mit zunehmender Ausrichtung in Polarisationsrichtung beobachtet, die auf Dissozation durch eine Barriereabsenkung hinweisen. Diese experimentellen Ergebnisse können durch quantenmechanische Rechnungen simuliert werden, die zu einem besseren Verständnis der Molekulardynamik in intensiven Laserfeldern führen werden.