The alignment and orientation of linear molecules induced by an intense laser field were theoretically investigated. Alignment and orientation of molecules are important phenomena because they can be applied to the control of status and reaction of molecules. When a linear molecule is exposed to an intense and nonresonant femtosecond laser field, the axis of a molecule can be aligned by the interaction between the induced dipole moment and the driving laser field. The interaction can force molecules to align to the direction of the driving laser field due to the angle-dependant potential of each molecule. In the case of polar molecules, one can even orient the molecule by laser pulses. In order to investigate these phenomena, the time-dependent Schr$\ddot{o}$dinger equation for the rotational motion of a molecule was numerically solved.
The molecular alignment and orientation were investigated for the cases of one-color and two-color fields. In the nonadiabatic regime of alignment by femtosecond laser pulses, the molecular alignment shows a revival structure for the degree of alignment in the time domain. Molecular alignment is characterized with different molecular species and molecular temperatures. For the orientation of molecules, FCN molecule was irradiated by the two-color laser field, consisting of the driving laser field and its second harmonic, in the nonadiabatic regime. In the calculation, the orientation of FCN molecules was achieved at very low molecular temperature by controlling the relative phase of the two-color fields. The theoretical investigations, thus, provided the method to control the alignment and orientation of linear molecules.
본 연구에서는 강력한 이색 펨토초 레이저 펄스를 이용하여 선형 분자의 정렬과 배향을 이론적으로 연구하였다. 분자의 정렬과 배향은 분자의 반응과 회전 상태를 제어하는 데 적용 될 수 있기 때문에 매우 중요하다. 선형 분자가 비 공명영역의 강력한 레이저 장내에 위치하면, 분자 내에 발생되는 유도 쌍극자 모멘트와 구동 레이저 장 사이의 상호작용으로 인해 분자 내에는 퍼텐셜이 생성된다. 이 퍼텐셜은 분자 축과 레이저 장의 편광 방향이 이루는 사이 각에 의존하며, 이 퍼텐셜로 인해 분자는 구동 레이저 장의 편광 방향 쪽으로 정렬이 가능하게 된다. FCN 분자와 같은 극성 분자의 경우 이색 레이저 장을 이용하면 정렬뿐만 아니라 배향 까지도 가능하다. 이와 같은 현상을 이론적으로 연구하기 위하여, 시간 의존 슈뢰딩거 방정식을 분자의 회전 운동에 대하여 수치적으로 계산하였다.
펨토초 레이저 펄스에 의한 비 점진 영역에서의 분자의 정렬과 배향은 시간 영역에서 반복 구조를 나타내며, 이와 더불어 외부 장이 없을 때 정렬과 배향이 나타나는 자율 정렬, 자율 배향의 특징을 나타낸다. 분자의 정렬은 단색 레이저 장을 이용하여 각기 다른 분자 종류와 분자 온도에서 전산 시늉을 수행하였다. 분자 배향의 경우 FCN 분자에 기본 레이저 장과 이색 레이저 장으로 구성된 이색 레이저 펄스를 가하여 결과를 얻었다. 계산 결과에서 배향은 매우 낮은 회전 온도에서 나타났으며, 이러한 배향의 효과는 이색 레이저 펄스를 구성하는 두 전기장의 상대 위상차에 크게 의존했다. 결론적으로 이번 연구는 선형 분자의 정렬과 배향을 제어하는 방법을 이론적으로 제시하였다.
