CN106710378B - 一种飞秒时间分辨光电子/离子速度成像的全自动控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种飞秒时间分辨光电子/离子速度成像的全自动控制系统，包括两台时序同步的飞秒脉冲光源、一个精密光学延迟平台、两个用于挡光的光快门、一台光电子/离子速度成像仪、一台ICCD相机和计算机组成。整个实验系统由计算机控制，功能包括配置精密光学延迟平台、光快门和ICCD相机在内的硬件、配置采集方式以及控制整个实验流程，系统可以对所采集到的图像做实时变换得出光电子/离子速度分布,并给出速率分布和角分布。整个采集过程实现自动化，可以显著提升效率。

Description

一种飞秒时间分辨光电子/离子速度成像的全自动控制系统
技术领域
本发明涉及一种用于反应动力学研究领域的飞秒时间分辨光电子/离子速度成像的全自动控制系统。
背景技术
飞秒时间分辨光电子/离子速度成像在反应动力学研究中有非常重要的应用。它首先用一束飞秒脉冲激光作为泵浦光将样品激发到高能级，处于高能级的分子会随时间演化，为了对整个演化过程进行研究，需要另一束飞秒脉冲激光作为探测光作用于样品产生可以被光电子/离子速度成像仪探测到的光电子/离子信号，通过改变泵浦光和探测光的光程差改变二者的延迟时间，以两束光同时到达样品的时间做为零点，从零点开始逐渐增加延迟时间并记录相应的信号，最后就能获得整个演化过程中的信息。
飞秒时间分辨光电子/离子速度成像通常需要在几十甚至上百个延迟时间点采集信号，同时为保证采集到的信号质量足够好，还需要进行多次循环扫描，而且在许多研究中，泵浦光和探测光作用于样品单独产生的背景信号也需要扣除，所以在整个实验过程中需要不断控制精密光学延迟平台、光快门和ICCD相机，同时在每次采集到信号之后，都需要手动操作保存数据，整个过程耗时很长，而且容易出错。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种飞秒时间分辨光电子/离子速度成像的全自动控制系统，能够自动根据需要不间断对精密光学延迟平台、光快门和ICCD相机进行操作，采集、处理和保存信号图像，得出光电子/离子速度分布,并给出速率分布和角分布，整个过程实现自动化，显著提升效率，省时且不容易出错。
本发明的技术解决方案：一种飞秒时间分辨光电子/离子速度成像的全自动控制系统，整个系统主要包括两台时序同步的飞秒脉冲光源、一个精密光学延迟平台、两个用于挡光的光快门、一台光电子/离子速度成像仪、一台ICCD相机和一台计算机组成；其中：
时序同步的两台飞秒脉冲光源分别作为泵浦光源和探测光源，泵浦光源输出的飞秒脉冲激光作为泵浦光、探测光源输出的飞秒脉冲激光作为探测光，飞秒脉冲激光作用于样品后产生可以被光电子/离子速度成像仪探测到的光电子/离子信号，两束光作用于样品产生的信号称为双色信号，单独一束光作用于样品产生的信号称为单色背底信号；精密光学延迟平台用于改变探测光从探测光源到样品的光程，由于泵浦光的光程固定，探测光的光程可变意味着两束光到样品的时间差可变，该时间差也称为延迟时间，精密光学延迟平台的每一个位置都对应一个延迟时间，系统会按照设定规则选择从小到大的一系列延迟时间，即对应一系列的精密光学延迟平台位置，系统工作时精密光学延迟平台受计算机的控制会按照从小到大的顺序依次移动到每一个位置，然后采集信号，这个过程称为扫描，这一系列设定位置称为扫描位置；为了采集到足够的信号，可能需要多次进行这个过程，称为扫描循环；光快门用于挡住泵浦光或探测光中的一束以采集另一束光单独产生的信号作为相应的单色背底信号；光电子/离子速度成像仪用于探测样品产生的光电子/离子速度分布信号；ICCD相机用于采集、记录信号并且将该信号传输到计算机，信号以二维图像形式被记录；计算机用于控制整个实验过程，包括硬件配置、采集方式配置、数据采集和处理、数据显示和保存；
计算机和包括精密光学延迟平台、光快门、ICCD相机在内的硬件建立连接；配置硬件参数；配置采集方式，包括：设定扫描循环次数，设定精密光学延迟平台每次扫描中经过的扫描位置，在每个扫描位置上采集的双色信号数量、单色背底信号数量；计算机对系统初始化之后按设定进入扫描循环；控制精密光学延迟平台移动到第一个设定扫描位置，泵浦光和经过精密光学延迟平台的探测光依次作用于样品，样品产生可以被光电子/离子速度成像仪探测到的光电子/离子信号，使用ICCD相机记录指定数量作为双色信号，送入计算机做包括图像变换在内的数据处理后显示和保存，计算机控制泵浦光光路上的光快门关闭，用ICCD相机采集探测光单独作用于样品产生的指定数量的信号作为探测光单色背底信号送入计算机处理并保存，计算机控制泵浦光光路上的光快门打开，探测光光路上的光快门关闭，用ICCD相机采集泵浦光单独作用于样品后产生的指定数量的信号作为泵浦光单色背底信号送入计算机处理并保存；两束光作用于样品产生的双色信号图像按照指定算法做变换得到速度分布图并据此计算出速率分布和角分布，显示速度分布图和速率分布、角分布曲线；计算机控制精密光学延迟平台移动到第二个设定扫描位置再次进行同样过程，依次扫描直到最后一个位置；如果设定循环次数为一次，则采集完成，如果设定循环次数多于一次，则对每一次扫描都进行一遍上述过程，与第一次扫描不同之处是，在每一个扫描位置，计算机都会调取之前循环中在此位置上采集的所有双色信号相加，并使用相加之后的图像做变换得到速度分布再据此计算得到速率分布和角分布；完成指定循环次数，整个实验过程结束。
计算机对精密光学延迟平台配置的参数包括设定零刻度位置、移动速度、加速度；对ICCD相机配置的参数包括快门延迟和宽度时间、信号增强倍率、图像累加次数；对两个光快门配置的参数包括初始化开关状态。
在配置采集方式时对扫描位置有三种设定方式：(1)线性扫描，设定起始位置、终点位置、步长，扫描从起始位置开始，按设定步长逐渐增加直到终点位置；(2)指数扫描，设定起始位置、终点位置、步长参数、需扫描位置总数，按照指数增加的规则在起始位置和终点位置之间排列扫描位置，从小到大依次扫描；(3)直接读取位置列表文件，把要扫描的位置事先写入txt文档，计算机从文档读取位置列表按先后顺序依次扫描。
计算机控制精密光学延迟平台移动到设定扫描位置时，会不间断询问精密光学延迟平台当前位置，直到当前位置和设定位置之差在指定范围内，再进行下一步。系统有暂停功能，在循环扫描采集信号的过程中，可以中途暂停程序进行一些必要的操作，例如准直激光等。
数据处理包括预处理和图像变换，有两种可选的预处理方式：可选扣除背底，对每一幅信号图像扣除一幅事先采集的背底图像，以降低ICCD相机可能存在的噪点和感光芯片不同区域敏感程度不均匀带来的对图像质量的影响；可选对采集到的图像做阈值处理，只有在阈值范围内的数据点被保留，其余所有点置零，阈值范围可选。将做过预处理的图像进行图像变换获得光电子/离子速度分布，再据此获得速率分布和角分布。
显示的数据包括实时采集的图像，实时做变换后的速度分布图像和据此计算出的速率分布和角分布曲线，信号强度随时间的变化曲线，信号强度是实时图像所有数据点累加之和。保存数据时，单次实验的数据保存在一个文件夹下；同时保存在同一文件夹下的还有实验条件，包括硬件参数和扫描设定参数以及其他可以手动输入的参数。
本发明与现有技术相比的优点在于：能够自动根据需要不间断对精密光学延迟平台、光快门和ICCD相机进行操作并处理和保存获取的信号图像，得出光电子/离子速度分布,并给出速率分布和角分布，整个采集过程实现自动化，可以显著提升效率，而且省时不容易出错。
附图说明
图1为本发明的组成结构图；
图2为本发明的整体流程图；
图3为本发明整体流程中的硬件配置示意图；
图4为本发明整体流程中的采集方式配置示意图；
图5为本发明整体流程中的循环采集、处理、显示保存信号的流程图；
图6为本发明的采集、处理、显示和保存细节流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明系统包括两个时序同步的飞秒脉冲光源，分别作为泵浦光源1和探测光源2，一个精密光学延迟平台3，两个可以用于挡光的光快门4、5，反射镜组6，透镜7，样品8，光电子/离子速度成像仪9、ICCD相机10和计算机11组成，其中：
两个时序同步的飞秒脉冲光源1、2用于输出两束脉冲激光，一束作为泵浦光、另一束作为探测光；反射镜组6和透镜7引导并准直激光按给定的光路传播；精密光学延迟平台3用于改变探测光从探测光源2到样品8的光程，由于泵浦光的光程固定，探测光的光程可变意味着两束光到样品8的时间差可变，该时间差也称为延迟时间；光快门4、5用于挡住探测光或泵浦光中的一束以采集另一束光单独作用于样品产生的信号作为单色背底信号；计算机11用于控制整个实验过程，包括配置硬件，配置采集方式，数据采集和处理，数据显示和保存。
如图2所示，本发明中计算机11整体工作流程为首先初始化，连接并配置包括精密光学延迟平台3，光快门4、5，ICCD相机10在内的硬件，配置采集方式，开始循环扫描精密光学延迟平台3并采集、处理、显示和保存图像。
如图3所示，硬件配置包括配置精密光学延迟平台3的零刻度、速度、加速度、最大扫描范围，光快门4、5的初始开关状态，ICCD相机10的快门延迟和宽度时间、触发方式、信号增强倍率。
如图4所示，配置采集方式包括：设定扫描循环次数N，设定精密光学延迟平台3每次循环中经过的扫描位置从L1、L2到LM，总计有M个位置，设定方式有三种：
(1)等步长线性扫描，一共扫描M个位置，给定初始位置坐标L1、步长s和终点位置坐标LM，则延迟平台第j个扫描位置坐标Lj＝L1+jxs，直到Lj≧LM后停止；
(2)步长按指数增加，给定初始位置坐标L1、步长参数s、终点位置坐标LM和需扫描位置总数M，则延迟平台第j个扫描位置坐标Lj＝s×ekj+L1，关于参数k，有关系式
(3)从文件中直接读取扫描位置L1、L2到LM。
设定在每个扫描位置上采集的双色信号数量、单色背底信号数量；设定数据处理方式包括选择是否图像减去背景，是否用阈值处理，以及阈值范围；最后选择保存位置和文件名前缀。
图像变换获得三维速度分布的算法如下：
系统采集到的待变换的图像是一个m0xn0的二维矩阵P0，由一个轴对称的三维分布沿对称轴的垂直方向压缩投影到二维平面所得，变换就是将二维图像矩阵P0反演得到三维速度分布，由于该分布是轴对称的，所以可以用一个二维矩阵ρ来完全描述。P0矩阵中圆心坐标为(xc，yc)，对称轴沿y轴方向，将矩阵第yc列两侧的矩阵元素对称相加，即第yc-i列的元素和yc+i-1列的元素相加，得到新的矩阵P的第i列元素，i是从1到n的正整数，整数n是yc和n0-yc两者中的较小值，P是m0x n矩阵，按下式即可获得速度分布矩阵ρ，
上式中M为n x n维常数矩阵，其元素Mij的值如下：
Mij＝0 i+j>n+1
按照下式即可根据速度分布矩阵ρ求出速度分布I(v)：
上式中ρ(v,θ)是已求解得出的速度分布矩阵，k是图像半径和速度大小之间的校正系数，v是速度大小，θ是方位角。
按照下式即可根据速度分布矩阵ρ求出角分布I(θ)：
如图5所示，进入采集阶段后，计算机首先按照所选的扫描位置设定方式生成位置列表，逐次进行循环扫描，如果中途不停止，则从第i＝1次开始循环扫描到第i＝N次，每一次扫描开始先初始化精密光学延迟平台3和光快门4、5，发送命令给精密光学延迟平台3移动到第j＝1个设定位置L1，判断到达指定位置后，采集、处理、显示和保存信号图像与背底图像，判断是否有暂停命令，如果有则进行等待直到收到重启命令进行下一步，判断是否有停止命令，如果有则中止整个采集过程，如果没有则控制精密光学延迟平台3移动到第j＝2个设定位置L2再次进行同样过程，依次扫描直到在最后第j＝M个位置LM完成同样采集过程。
如图6所示，在每一个精密光学延迟平台3位置上，具体的采集方式是打开两个光快门4、5，泵浦光和经过精密光学延迟平台3的探测光依次作用于样品，样品产生信号，使用ICCD相机10采集记录信号，送入计算机11做数据预处理后显示和保存，如果是第一次循环(i＝1)，则将预处理后的图像作为叠加图像保存并且做变换得到速度分布，然后显示结果；如果不是第一次循环(i≠1)则首先调取叠加图像并和新采集的图像相加作为新的叠加图像并保存然后对新的叠加图像做变换得到速度分布，然后显示。计算机控制泵浦光光路上的光快门5关闭，采集探测光单独打入样品后产生的信号送入计算机11处理并保存，控制泵浦光光路上的光快门5打开，探测光光路上的光快门4关闭，采集泵浦光单独打入样品后产生的信号送入计算机11处理并保存。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种飞秒时间分辨光电子/离子速度成像的全自动控制系统，包括一个精密光学延迟平台，用于改变探测光从探测光源到样品的光程，泵浦光和探测光到达样品的时间差称为延迟时间，其特征在于：所述的系统还包括时序同步的两台飞秒脉冲光源、两个用于挡光的光快门、一台光电子/离子速度成像仪、一台ICCD相机和计算机；其中：
时序同步的两台飞秒脉冲光源分别作为泵浦光源和探测光源，泵浦光源输出的飞秒脉冲激光作为泵浦光、探测光源输出的飞秒脉冲激光作为探测光，飞秒脉冲激光作用于样品后产生可以被光电子/离子速度成像仪探测到的光电子/离子信号，两束光作用于样品产生的信号称为双色信号，单独一束光作用于样品产生的信号称为单色背底信号；
精密光学延迟平台的每一个位置都对应一个延迟时间，按照设定规则选择从小到大的一系列延迟时间，即对应一系列的精密光学延迟平台位置；系统工作时精密光学延迟平台受计算机的控制会按照从小到大的顺序依次移动到每一个位置，然后采集信号，这个过程称为扫描，这一系列设定位置称为扫描位置；为了采集到足够的信号，可能需要多次进行这个过程，称为扫描循环；
光快门受计算机的控制用于挡住泵浦光或探测光中的一束以采集另一束光单独产生的信号作为相应的单色背底信号；
光电子/离子速度成像仪用于探测样品在飞秒脉冲激光作用下产生的光电子/离子信号；
ICCD相机用于采集和记录信号并将其传输到计算机，该信号以二维图像形式被记录；
计算机还与光快门、ICCD相机分别建立连接，进行配置硬件参数，配置采集方式，数据采集和处理，数据显示和保存；所述采集方式包括：扫描循环次数，精密光学延迟平台每次扫描经过的扫描位置，在每个扫描位置上采集的双色信号数量、单色背底信号数量，数据处理方式，数据保存位置；
计算机初始化之后按设定进入扫描循环，控制精密光学延迟平台移动到第一个设定扫描位置，泵浦光和经过精密光学延迟平台的探测光依次作用于样品，样品产生可以被光电子/离子速度成像仪探测到的光电子/离子信号，使用ICCD相机采集记录指定数量作为双色信号，送入计算机做包括图像变换在内的数据处理后显示和保存，控制泵浦光光路上的光快门关闭，用ICCD相机采集探测光单独作用于样品产生的指定数量的信号作为探测光单色背底信号送入计算机处理并保存，控制泵浦光光路上的光快门打开，探测光光路上的光快门关闭，用ICCD相机采集泵浦光单独作用于样品产生的指定数量的信号作为泵浦光单色背底信号送入计算机处理并保存；两束光作用于样品产生的双色信号图像按照指定算法做变换得到速度分布图并据此计算出速率分布和角分布，显示速度分布图和速率分布、角分布曲线；控制精密光学延迟平台移动到第二个设定扫描位置再次进行同样过程，依次扫描直到最后一个位置；如果设定扫描循环次数为一次，则采集完成，如果设定扫描循环次数多于一次，则对每一次扫描都进行一遍上述过程，与第一次扫描不同之处是在每一个扫描位置，计算机都会调取之前扫描循环中在此位置上采集的所有双色信号累加后的图像与新采集的图像相加然后做变换得到速度分布，再据此计算得到速率分布和角分布；完成指定扫描循环次数，整个实验过程结束。
2.根据权利要求1所述的飞秒时间分辨光电子/离子速度成像的全自动控制系统，其特征在于：所述配置硬件参数，对精密光学延迟平台配置硬件参数包括：设定精密光学延迟平台的零刻度位置、移动速度、加速度；对ICCD相机配置硬件参数包括快门延迟和宽度时间、信号增强倍率、图像累加次数；对两个光快门配置硬件参数包括初始化开关状态。
3.根据权利要求1所述的飞秒时间分辨光电子/离子速度成像的全自动控制系统，其特征在于：所述设定精密光学延迟平台每次扫描过程中经过的扫描位置，对扫描位置有三种设定方式：（1）线性扫描，设定起始位置、终点位置、步长，扫描从起始位置开始，按设定步长逐渐增加直到终点位置；（2）指数扫描，设定起始位置、终点位置、步长参数、需扫描位置总数，按照指数增加的规则在起始位置和终点位置之间排列扫描位置，从小到大依次扫描；（3）直接读取位置列表文件，把要扫描的位置事先写入txt文档，计算机从文档读取扫描位置列表按先后顺序依次扫描。
4.根据权利要求1所述的飞秒时间分辨光电子/离子速度成像的全自动控制系统，其特征在于：所述计算机控制精密光学延迟平台移动到设定扫描位置时，会不间断询问精密光学延迟平台当前位置，直到当前位置和设定扫描位置之差在指定范围内，再进行下一步。
5.根据权利要求1所述的飞秒时间分辨光电子/离子速度成像的全自动控制系统，其特征在于：所述计算机在控制系统进行扫描循环时，加入暂停功能，在循环扫描采集信号的过程中，可以中途暂停进行一些必要的操作，包括准直激光。
6.根据权利要求1所述的飞秒时间分辨光电子/离子速度成像的全自动控制系统，其特征在于：所述数据处理包括对图像做预处理，有两种可选的预处理方式：可选扣除背底，对每一幅信号图像扣除一幅事先采集的背底图像，以降低ICCD相机可能存在的噪点和感光芯片不同区域敏感程度不均匀带来的对图像质量的影响；可选对采集到的图像做阈值处理，只有在阈值范围内的数据点被保留，其余所有点置零，阈值范围可选。
7.根据权利要求1所述的飞秒时间分辨光电子/离子速度成像的全自动控制系统，其特征在于：所述数据处理包括对图像做实时变换，得到光电子/离子速度分布，并据此计算出速率分布和角分布。
8.根据权利要求1所述的飞秒时间分辨光电子/离子速度成像的全自动控制系统，其特征在于：所述数据显示内容包括实时采集的图像，实时做变换后的速度分布图像和据此计算出的速率分布、角分布曲线，信号强度随时间的变化曲线，信号强度是实时图像所有数据点累加之和。
9.根据权利要求1所述的飞秒时间分辨光电子/离子速度成像的全自动控制系统，其特征在于：所述数据保存时，单次实验的数据保存在一个文件夹下；同时保存在同一文件夹下的还有实验条件，包括硬件参数和扫描设定参数以及其他可以手动输入的参数。
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