一 背景简介

改变化学反应的产率，控制化学反应的通道是化学家长期梦寐以求的愿望。早期的研究是探讨改变反应温度、压力等外界条件和寻找合适的催化剂来部分实现上述愿望。至今在常规宏观化学反应中仍广泛应用这种方法。但用这样的方法对化学反应的控制能力是有限的。人们希望从更微观的层次上，更主动和普遍的意义上实现对化学反应的控制。最近几十年来，由于各种新技术，特别是激光技术的出现，激发了人们对

① 刊于 1995 年第 10 卷第 1 期第 1 页

化学反应控制的新的研究兴趣。80 年代后期以来，对化学反应控制方面的研究取得了明显的进展，尤其是在理论上，提出了几种被人们接受的可行方案，实际上也被计算机模拟和最简单的实验证明是有希望成功的。这种控制具有普遍的意义，但目前实施起来还远不是简单明了的， 要达到人们期望的目标，还需要付出很大的努力。正因如此，目前初见端倪的成功已经掀起了一股这个领域的研究热潮。

利用激光束来控制化学反应的思想不是最近出现的。但 1985 年以前的文献所建议和讨论的方法基本上都是属于“被动控制”的范畴。总的想法都是希望用激光激发分子的一个选定的特殊反应自由度，使这个自由度相对于其他自由度来说特别“热”，而且希望能量局域在该自由度上的时间超过能量重新分布所需的时间，或者从该自由度发生相应反应的时间短于能量重新分布所需的时间，这样就能达到选择反应通道的目的。总之，方法的着眼点在于如何制备一个适当的量子态，至于它将如何变化，则由体系的固有性质来决定，人们实际上无法再控制它。虽然有少数通过选择分子不同的振动或电子激发模式导致产物通道迥然不同的成功例子，但更一般的情形时这种途径并不有效，因为这种方法成功与否主要因素为分子的性质，而高激发态势能面错综复杂、能级耦合、非绝热行为等使得激发态多少表现统计平均的性质。

为了克服这些困难，第一步就是如何有效地将分子激发到特定的态上去。这里激发光脉冲的波形会影响激发效率。选择合适的激光脉冲波形（shaped laser pulses），就能最有效激发分子到选定的态。事实上， 这就是“最佳控制理论”（optimal control theory）研究的内容。然而，即使是能很有效地激发到特定的态，如果让激发态分子在体系自身的哈密顿作用下自行演化，那么仍然不能有效控制反应通道。因为后面的演化取决于分子自身的能级结构，多数情况下能量快速地重新分配， 体系很快就丧失了对初态的记忆。所有基于单光子激发的反应，光脉冲的宽窄、波形对反应控制影响不大，甚至脉冲激光和连续激光激发的效果也差不多。这就是“被动控制”的含义。

1985 年以后，“主动控制”化学反应的方案被提了出来。总的思想都是考虑要阻止分子激发后完全自行演化，而是增加人的干预，干预的手段就是激光。使分子从反应初始到反应结束都连续或间断地受到激光场的作用（dressed state），这样就有希望使分子在外场和体系自身哈密顿共同作用下诱导演化到某一产物通道，而且人们可以根据需要通过改变外场控制化学反应。现在已经提出了几种方案用来实现这个目的。可以用不同频率的相干连续激光束（为方便调节，通常用两束），也可以用一组相干的脉冲激光系列（通常用两个脉冲）。所有这些本质上都是利用了相干光束或光脉冲与粒子相互作用的量子干涉原理。值得提一下的是：按照传统的看法，化学反应的基本特征可以用经典力学描述， 量子效应只是表现为对偏差的修正；但是上面提到的用相干激光“主动控制”化学反应的方案完全是量子的思想，它的提出为化学的发展注入了新的生命力。