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移除书签二 现状综述
- 理论研究
相干激光控制化学反应的物理思想是简单的。我们以分子体系 R 为例来说明这一点：设 R 的一个束缚态（不妨设为低能态）为|i＞，连续态为|f＞。设从该连续态上可以发生两个通道的化学反应 a 和 b：
在被动控制的方式下，一般通过一条路径用激光进行|i＞到|f＞的跃迁，随后分子按其固有的性质（速率、通道比等）进行反应。在这样的方式下，我们无法对反应的结果施加影响。现在如果我们利用相干激光通过两条路径进行|i＞到|f＞的跃迁，如果两个路径的相应于反应 a
（或 b）的反应几率为 Pa1 和 Pa2（或 Pb1 和 Pb2），总的反应几率则为Pa=Pa1+Pa2+Pa12cos（δa） Pb=Pb1+Pb2+Pb12cos（δb）
式中右边的前两项对应于非相干激发时的总反应几率，第三项为量子干涉项，特别是δa 和δb 与分子和外场都有关，因此，可以根据需要通过调制外场的相位和振幅关系来控制反应的速率和通道比。这样的前景是非常诱人的。从 1985 年到现在，主要有两种“主动控制”化学反应的方案。一种是 Tannor 和 Rice 提出的 Pump-dump 方案，另一种是 Brumer 和 Shapiro 提出的 Coherent Control 方案。下面分别简单介绍它们的主要内容。
- Pump-dump 方案
Tannor 和 Rice 提出用相干的超短激光脉冲（比如高斯型脉冲）的Pump-dump 方案实现对化学反应的控制；第一个脉冲把初始定态分子泵浦
（pump）到激发态势能面上，在体系自行演化一个很短的时间之后，又加上另一个称为dump 的激光脉冲诱导分子从激发态势能面到另一势能面的反应能态而发生反应。
原理的大意是，在零时刻，将初始定态激发到高势能面上的是局域的相干性较好的波包，在体系自身哈密顿的作用下，初始波包一边弥散， 一边运动，在不同的时刻，波包投影到不同势能面（这里指与各产物通道对应的势能面）的重叠积分（这里指影响通道产率的 Franck-Con-don 因子）不一样，因而如能在不同时刻用外场将波包诱导下来，将会得到不同的反应结果。调节 Pump 和 dump 光脉冲的延迟时间，就能控制不同的优势反应的通道。由于目前实验室能产生飞秒激光脉冲和飞秒脉冲延迟，对几乎所有的化学反应都能做到细致的调节。
Rabitz 等人 1988 年提出对于一定的初始态以及希望选择的激发态，给定完成激发的时间，可以对激光脉冲的波形进行剪裁，使分子被激发到位的效率最高。依靠 70 年代提出的“最佳控制理论”就可以求得所要求的最理想的光场。“最佳控制理论”研究的是一个逆问题，就是已知激发的初态、终态和间隔，设计最合适的激发光场。这个理论的大意是利用变分原理，找到一个时间相关的变分泛函，通过变分优化得出最满意的随时间变化的光场。 Kosloff 和 Rice 等人把“最佳控制理论” 和 Tannor-Rich 的 Pump-dump 方案结合起来，同时用“最佳控制理论” 设计出 pump 和 dump 激光脉冲的最佳波形，在这样的光场作用下，再调节 pump 和 dump 脉冲的时间延迟，就能更加有效地实现对反应的控制。实际上它是同时从时间和空间上对一个化学反应进行诱导演化。
无论是最初的 Tannor-Rice 方案，还是改进的 Kosloff-Rice 方案， 都进行了不少计算机模拟，尽管只是对一些双原子、三原子分子光解， 考虑的是简单的谐振势和 Morse 势，但模拟结果确实看到了不同反应通道的产率随调节参数的变化而明显改变。
- CoherentControl 方案
Brumer 和 Shapiro 走的是另外一条道路，他们不想用超短激光脉冲，也不用超强功率激光。而是把分子置于两束相干的不必很强的连续激光束的光场中，通过调节相干光束的相位差，振幅大小来实现不同反应通道的选择。他们称之为 Coherent Control。这种相干光束的量子干涉影响光学过程的不同通道，最早是物理学家在 60 年代观测到的。特别是近年来由于介观物理中研究宏观量子效应以及对量子力学基础问题的兴趣，物理学家在光物理领域作了许多类似的理论和实验研究，但没有想到通过调节这种量子干涉来做点什么。Brumer 和 Shapiro 则希望利用它来控制化学反应。
原理的大意是，采用与时间无关的图像，用能量本征态的语言来描述，从一定的初始能态到选定的激发能态（通常是连续态）；如果有两束（或者多束）相干激光束可以分别通过不同的过程来实现这样的激发， 则根据量子力学的原理，总的激发几率不只是两光束各自激发几率的简单加和，还要包括它们的量子干涉项。通过调节这两束相干光的相位差和相对振幅就能极大地改变总的激发几率，由于从这个激发态能分解为若干个不同通道的产物，因而是个能量简并的激发态，其中的每个简并能级与一个产物通道相联系。而各简并能级的最大总激发几率（考虑量子干涉项的贡献）所要求的两光束的相位差、相对振幅各不相同，因而可以通过调节这些参数来实现对反应通道的控制。
Brumer 和 Shapiro 及其他人相继提出了检验 Coherent Control 理论的若干实验方案，例如，可通过一束基频的 N 光子共振激发（光解或电离）和它的相干 N 倍频单光子激发到同一能态；可通过基频产生的Stokes 发射和基频的反 Stokes 发射的逆过程到达同一能态；也可通过基频的双光子共振激发和基频的三倍频的 Stokes 发射到达同一能态，还可以通过基频的双光子共振激发和基频的四波混频产生的两个不同频率的光子的双光子共振激发到同一能态等等。计算机模拟的双原子、三原子的光解的结果是肯定的。
