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太赫兹光谱跟踪光电离水中的电子溶剂化
发布时间:2021-03-22 19:39:40 阅读:173

来源:SPIE;电子科技大学红外毫米波与太赫兹研究院 于曙超 编译

太赫兹光谱仪探测水中的激发等离子体。来源:Tan et al., doi10.1117/1.AP.3.1.015002

    水的光电离涉及电子的迁移和溶剂化,其中有许多瞬态和高活性中间体。该过程导致吸收光谱从太赫兹或千兆赫兹区域到可见光范围发生大的蓝移。虽然对低泵浦功率密度激发的低密度准自由电子的行为已经进行了广泛研究,但对于液态水中光激发等离子体的瞬态演化,我们仍然知之甚少。一个国际研究团队最近在Advanced Photonics上发表的一项研究中提供了宝贵的见解。

    据北京首都师范大学物理教授,该研究的资深作者之一张亮亮介绍,等离子体在液态水中超快亚皮秒尺度上演化的物理机制被认为是对气体等离子体理论的延伸。但是,由于水具有较高的非线性系数、较低的激发阈值和较高的电子密度,因此激光诱导的等离子体在液态水中具有比气体更复杂、更强的非线性效应。这些差异为解锁新技术和应用提供了可能,鼓励研究人员探索液态水中光激发等离子体的潜在物理机制。

    水溶剂电子?

    张亮亮的团队利用1650纳米的飞秒激光脉冲,在一个稳定的自由流动的水膜中诱导了等离子体。他们将这些强烈的太赫兹脉冲聚焦在亚皮秒级的尺度上,以探测激光诱导的等离子体在水中的准自由电子的时间演化。证明了在时域特征中具有独特的两步衰减特征的太赫兹波吸收,表明了水中电子溶剂化的含义。

(a)实验系统示图。(b)无光泵(黑线)且形成等离子体(红线)引起最大的吸收下的太赫兹时域波形。(c)在泵浦能量为90μJ/脉冲的水中等离子体吸收太赫兹波的瞬态演化曲线。(d)黑点表示具有不同泵浦脉冲能量的峰值准自由电子密度值。橙色点显示了在平衡状态下的溶剂化比与泵浦脉冲能量之间的关系。来源:Tan et al., doi10.1117/1.AP.3.1.015002

    研究人员利用Drude模型结合多级中间模型和粒子箱模型,对准自由电子进行了模拟和分析,得到了频域吸收特性和溶剂化率等关键信息。值得注意的是,随着准自由电子密度的增加,与束缚态有关的空穴似乎饱和,导致大量的准自由电子无法完全溶解。张亮亮说:“这项工作提供了关于水中电荷传输过程基本方面的见解,并为进一步了解飞秒激光脉冲激发等离子体在水中的物理化学性质和瞬态演化奠定了基础。”

 
 

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