CN105136828A - 一种分子核间距测量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种分子核间距测量的装置及方法，所述分子核间距测量的装置包括飞秒激光器、分束器、延时装置、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、气瓶、导气管、喷嘴、真空腔、真空泵、X射线光谱仪、X射线摄像头、飞秒激光、取向光束、探测光束、进腔窗口、气体喷流、高次谐波和铝膜；所述延时装置与第一数据线连接，所述第一数据线与电脑连接，所述电脑与第二数据线连接，所述第二数据线与X射线摄像头连接。

Description

一种分子核间距测量的装置及方法

技术领域

本发明属于分子核间距测量设备技术领域，尤其涉及一种分子核间距测量的装置及方法。

背景技术

在科学领域里，物理领域的重大发现或发明都会对科技进步起着重要影响，并改变人类的生活方式。上个世纪，激光的发明是人类最伟大的科技成果之一，它不仅为古老光学注入了新活力，而且为现代科技带来了革命性变化。激光技术已经渗透到物理、化学、生物、信息、医学、材料等众多的研究领域，并发挥出不可替代的作用，还产生了诸如激光材料加工，激光化学，激光生物学，光通信等新兴交叉学科。

此外，现在的飞秒激光技术使得激光功率密度达到甚至超过分子内的电场强度，于是微扰理论的基本假设不再适用，而一些新的强场理论被发展起来用于解释强场中分子的电离、解离和高次谐波等行为。过去对强场电离、解离和高次谐波等现象的研究较多关注惰性气体等原子系统，而现在对分子的强场现象研究亦取得了长足的发展。对于分子，除了电离、解离和高次谐波等强场现象外，还存在分子的转动取向等特有现象。因此，飞秒激光技术可用于探测分子中电子和核的超快动力学过程，而分子高次谐波现象是最近比较热门的研究课题，很多新的现象被不断地发现并应用于现代科技。分子高次谐波的研究，丰富着人们对强场物理的认识并加深了人们对微观世界的了解，同时还提供了一种探索微观世界的重要手段。本发明提供的分子核间距测量的装置及方法，具有精密度高、分析速度快等特点，为O2、CO2、C2H2等双中心分子的维纳量级的核间距测量及相关领域开拓了崭新的应用前景。

发明内容

本发明主要是解决上述现有技术所存在的技术问题，提供一种分子核间距测量的装置及方法，探测光束通过延时装置进行延时和聚焦透镜进行汇聚后作用于分子喷流上，用于驱动分子产生高次谐波，高次谐波通过X射线光谱仪进行光谱衍射分辨并通过X射线摄像头进行拍摄记录；这样，通过采集和分析高次谐波的极值位置，从而解析出待测分子的核间距。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种分子核间距测量的装置及方法，所述分子核间距测量的装置包括飞秒激光器、分束器、延时装置、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、气瓶、导气管、喷嘴、真空腔、真空泵、X射线光谱仪、X射线摄像头、飞秒激光、取向光束、探测光束、进腔窗口、气体喷流、高次谐波和铝膜；所述延时装置与第一数据线连接，所述第一数据线与电脑连接，所述电脑与第二数据线连接，所述第二数据线与X射线摄像头连接。所述气瓶内设置待测样品分子，所述待测样品分子经由导气管再通过喷嘴形成气体喷流，所述飞秒激光器能发射的飞秒激光，所述飞秒激光通过分束器分成取向光束和探测光束，所述取向光束通过第一聚焦透镜汇聚于样品气体喷流上，用于待测分子喷流的预先取向定位；所述探测光束通过延时装置进行延时和第二聚焦透镜进行汇聚后作用于分子喷流上，用于驱动分子产生高次谐波；所述铝膜用于阻挡残余的取向光束和探测光束，只透过高次谐波进入X射线光谱仪，所述高次谐波通过X射线光谱仪进行光谱衍射分辨并通过X射线摄像头进行拍摄记录。

所述分子核间距测量的方法如下：

聚焦后的飞秒激光与取向后的待测分子相互作用产生电子波包，而分子内的相邻两个核子发射的电子波包将会发生双中心干涉并回转碰撞产生高次谐波辐射；这种高次谐波辐射的极小值位置与分子核间距相关联，可以从中推导出这种维纳量级的分子核间距。具体推导过程如下，双中心干涉的干涉因子可定义为在某个取向-探测光束延时t₀时刻，取向后的高次谐波强度S与随机分布的高次谐波强度S₀的比值，可表达为：

其中θ是探测光束偏振方向与分子轴的夹角，是延时为t₀时分子群的角分布函数，Θ是探测激光与取向激光之间的偏振夹角，n是高次谐波的阶次，R是分子内的相邻两个核原子之间的核间距；λ_B(n)是n次高次谐波对应的电子德布罗意波，可表示为(m_e是电子的质量，E_k是电子的动能E_knhv₀I_p)。

通过公式(1)，我们可以看到，取向后的高次谐波强度S与分子内的核间距R存在关联，只要测出高次谐波干涉极小值，就可以通过计算拟合出核间距R。

本发明具有的有益效果：探测光束通过延时装置进行延时和聚焦透镜进行汇聚后作用于分子喷流上，用于驱动分子产生高次谐波，高次谐波通过X射线光谱仪进行光谱衍射分辨并通过X射线摄像头进行拍摄记录；这样，通过采集和分析高次谐波的极值位置，从而解析出待测分子的核间距。

附图说明

图1为本发明的装置示意图。

图2为具体实施事例的装置示意图。

图3为具体实施事例中计算得到的分子取向含时演化图和实验采集到的高次谐波随取向变化的含时演化图。

图4为具体实施事例的实验测量结果和数值拟合曲线图。

图中：1、飞秒激光器；2、分束器；3、延时装置；4、第一聚焦透镜；5、第二聚焦透镜；6、第一全反镜；7、第二全反镜；8、第三全反镜；9、气瓶；10、导气管；11、喷嘴；12、真空腔；13、真空泵；14、X射线光谱仪；15、X射线摄像头；16、飞秒激光；17、取向光束；18、探测光束；19、进腔窗口；20、气体喷流；21、高次谐波；22、铝膜；23、电脑；24、第一数据线；25、第二数据线；26、待测样品分子。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：一种分子核间距测量的装置及方法，如图1～图2所示，所述飞秒激光器输出的飞秒激光的中心波长为790nm、重复频率为1kHz、激光脉宽为45fs、输出单脉冲能量为2mJ；所述分束器是分束能量比为1:3，取向光束17的能量为0.5mJ；所述探测光束的能量为1.5mJ；所述延时装置由互成直角的两个790nm全反镜置于直线平移台组成；所述第一聚焦透镜的焦距为800mm，所述第二聚焦透镜的焦距为400mm；所述第一全反镜、第二全反镜和第三全反镜是790nm介质膜全反镜；所述待测样品分子为二氧化碳分子；所述导气管为内径为6mm的导气铜管；所述喷嘴是开孔为0.2mm的气体喷嘴；所述真空腔是高真空腔体；所述真空泵可维持真空腔的真空度在1×10^-3Pa以下；所述X射线光谱仪是自制的X射线光谱仪，主要由狭缝和平场X射线光栅组成；所述进腔窗口是厚度为3mm的石英玻璃。

利用上述装置，我们就可以采集到二氧化碳分子的高次谐波光谱，如图3中的实线所示，就是我们提取其中的23次高次谐波强度随时间延迟的结果。图3中的虚线是分子取向的含时演化图，我们可以发现，延时为21.1皮秒时，分子取向达到最大值，而高次谐波强度却达到最小值，说明这个高次谐波阶次是干涉相消位置。然后，我们提取19～37次高次谐波在21.1皮秒时的谐波强度，并与无取向时的谐波强度进行对比归一化，实验测量值如图4中的实线所示，其中虚线是根据上述测量方法的公式(1)进行数值拟合，我们分别尝试了R＝0.28nm，0.25nm和0.23nm进行数值模拟。可以发现，当R＝0.23nm时，实验结果和模拟曲线达到了较高的拟合度，这说明，二氧化碳分子中的氧原子核间距为0.23nm。如此这般，通过分子高次谐波的双中心干涉现象就可以测量得到维纳量级的分子核间距，适用于O₂、CO₂、C₂H₂等双中心分子的核间距测量及相关领域。

最后，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均应认为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种分子核间距测量的装置及方法，其特征在于所述分子核间距测量的装置包括飞秒激光器、分束器、延时装置、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第一全反镜、第二全反镜、第三全反镜、气瓶、导气管、喷嘴、真空腔、真空泵、X射线光谱仪、X射线摄像头、飞秒激光、取向光束、探测光束、进腔窗口、气体喷流、高次谐波和铝膜；所述延时装置与第一数据线连接，所述第一数据线与电脑连接，所述电脑与第二数据线连接，所述第二数据线与X射线摄像头连接；所述气瓶内设置待测样品分子，所述待测样品分子经由导气管再通过喷嘴形成气体喷流，所述飞秒激光器能发射的飞秒激光，所述飞秒激光通过分束器分成取向光束和探测光束。

2.根据权利要求1所述一种分子核间距测量的装置及方法，其特征在于所述分子核间距测量的方法如下：

聚焦后的飞秒激光与取向后的待测分子相互作用产生电子波包，而分子内的相邻两个核子发射的电子波包将会发生双中心干涉并回转碰撞产生高次谐波辐射；这种高次谐波辐射的极小值位置与分子核间距相关联，可以从中推导出这种维纳量级的分子核间距。具体推导过程如下，双中心干涉的干涉因子可定义为在某个取向-探测光束延时t₀时刻，取向后的高次谐波强度S与随机分布的高次谐波强度S₀的比值，可表达为：

其中θ是探测光束偏振方向与分子轴的夹角，是延时为t₀时分子群的角分布函数，Θ是探测激光与取向激光之间的偏振夹角，n是高次谐波的阶次，R是分子内的相邻两个核原子之间的核间距；λ_B(n)是n次高次谐波对应的电子德布罗意波，可表示为(m_e是电子的质量，E_k是电子的动能E_knhv₀I_p)。

通过公式(1)，我们可以看到，取向后的高次谐波强度S与分子内的核间距R存在关联，只要测出高次谐波干涉极小值，就可以通过计算拟合出核间距R。