激光诱导等离子体冲击压缩下水的相变及其受激拉曼散射研究

Plasma shock compression generated by laser-induced breakdown interactes with water (liquid),whose results can provide the information of matter state,energy level and these change physical laws. Laser-induced plasma shockwave have imporatant theory signification and applicatoin value on water, ice structure, dynamics pressure physics and astrophysics(hot ice). This project takes the high pressure physics, the Hugoniot eqution of state and nonlinear optics as the theory base, takes the time resovled and transient spectroscopy as the technique motheds, we adopt the method of theoretical simulation with experiments, and study of the following contents:.(1)To study on the physical process of plasma shockwave generated using a pulse laser induced water, theoretically simulate the change regulation of dynamic pressure and temperature field..(2)To explore the physical mechanismof phase trasition from water to ice Ih,VI,VII,VIII and so on under the dynamic high pressure, clarify the influence of tunneling and orientational disoreder on proton (hydrogen atom)-ordered of ice..(3)To study on the physical laws of stimulated Raman scattering of ice under the shock compression,clarify the influence of the excess electrons on crystal lattice vibration of ice..This study will grasp the laws that plasma shock compression affects on structure from water to ice, whose results enrich the physics content of laser-induced liquid dynamic high pressure and stimulated Raman scattering, and provide the reference for the phase transition of dynamic high pressure and transient molecule structure.

激光诱导等离子体冲击压缩加载在水(液体)上,能获得物质的物态、能级及其变化的物理规律信息.它在水和冰结构、动高压物理及天体物理（热冰）等研究中都有重要的理论意义和应用价值.本申请以高压物理学、Hugoniot物态方程和非线性光学为理论基础,以时间分辨瞬态光谱为技术手段，用理论模拟与实验结合的方法,开展以下研究:.(1)研究脉冲激光诱导水产生等离子体冲击波的物理过程,理论模拟动高压场及温度场的变化规律..(2)探索动高压作用下水→冰Ih/VI/VII/VIII等相变的物理机理,明确隧道效应和取向无序效应对冰质子(氢原子)有序性的影响..(3)研究冲击压缩作用下冰的受激拉曼散射规律及等离子中过剩电子对冰晶格振动的影响..本研究将掌握等离子体冲击压缩下水→冰结构相变的物理机理,丰富激光诱导液体动高压及其受激拉曼散射的物理学内容，为亟待解决的动高压液体相变和瞬态分子结构研究提供依据.

激光诱导等离子体冲击波作用于水/重水等液体时，可以获得其相变及瞬态振动、转动的物理信息。此研究对水、重水和冰相变路径和氢键网格有着重要的理论意义，同时对激光驱动动高压物理和天体物理（热冰、黑冰）等研究有着潜在的应用价值。本项目通过线性和非线性光学技术手段，结合理论模拟，获得了可喜的成果：.1.首先，利用532nm激光诱导等离子体冲击波对水进行研究，在水的背向获得了冰VII双特征峰受激拉曼散射，这是由于冲击波压缩导致水分子相变、受激拉曼散射背向放大和强弱氢键共同作用的结果；其次，利用355nm激光作用于水获得了前向冰VII双特征峰受激拉曼散射，归因于355nm波长满足水预共振受激拉曼散射条件，同时强弱氢键对O-H伸缩振动调制的结果，此研究展示了强弱氢键对冰结构的影响；再次，利用355nm激光加载于冰Ih相获得了前向3110和3210cm-1的受激拉曼双峰结构，这是因为冰Ih中存在强弱两种氢键导致的O-H伸缩振动平移的结果。此系列研究获得了水到冰VII/Ih相变路径，明确了水到冰VII/Ih的相变条件及强弱氢键对水和冰结构的影响。.2.使用波长为532nm的激光作用于水、重水和NaOH水溶液，水只产生背向冰VII受激拉曼散射，重水和NaOH水溶液在前向产生冰VII、背向产生冰VIII受激拉曼散射。这是由于水分子中H+多，氢键量子效应明显；重水中H+少，氢键量子化效应不明显，而OH-离子的存在使得NaOH水溶液中的H+减少。因此氢键量子化效应与冲击波压缩对水分子形成冰相结构有着相反的作用。.3.利用NaOH水溶液中的等效压强作用，获得了高静水压状态下水分子及冰Ih相的受激拉曼散射。确定了高静水压可以增强水及冰Ih的受激拉曼散射，这由于在高静水压下的冲击波可以持续的、低速的加载于水分子。.4.获得了水中激光诱导纳米级冲击波共振增强H2O2中O-H1715cm-1弯曲振动受激拉曼散射，激光诱导水产生的冲击波频率与弯曲振动频率接近，因此导致了弱弯曲振动拉曼模式的极大增强。同时获得了H2O2增强水及冰VII的受激拉曼散射及其物理机制。.本研究明确了冲击波压缩作用下水/重水到冰结构相变的物理机制，阐明了强弱氢键对它们的影响，获得了氢键量子效应对相变的抑制作用，丰富了动高压及受激拉曼散射的物理学内容，为动高压下液体相变及氢键网格研究提供了丰富、准确的参考。