CN108680265A - 高重频阿秒脉冲光电子和离子能谱测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高重频阿秒脉冲光电子和离子能谱测量系统及方法。其工作原理是：在光电子或离子脉冲进入时间飞行管后，且在光电子或离子脉冲在时间和空间上的展宽还没有产生重叠之前，放置一个与光电子或离子脉冲同步信号触发控制的光电子或离子脉冲选通门，该选通门只选出原光电子或离子脉冲重复频率的一定分频脉冲可通过，最终通过时间飞行管进行光电子或离子能谱测量。本发明采用降低光电子或离子脉冲重复频率的方法，使相邻两个光电子或离子脉冲的时间间隔增大，避免了在时间飞行谱仪探测器处产生两相邻脉冲的重叠。
Description
技术领域
本发明是一种用于高重频光电子和离子能谱或动量谱的测量技术，具体涉及一种高重频阿秒脉冲光电子能谱测量系统及方法。
背景技术
阿秒科学正在与越来越多的学科结合，阿秒脉冲也在越来越多的领域展开应用。但当前的阿秒脉冲光子通量相对较低，导致在很多应用中的数据采集时间较长，影响了实验精度，也限制了其应用范围的拓展，如在符合测量(Coincidence Spectroscopy)中。高重频的阿秒脉冲可以极大地提高数据采集率，从而减少采集时间，同时能够降低系统对长时间稳定性的苛刻要求。
由于阿秒脉冲脉宽极短，无法直接测量其脉宽，通常使用阿秒条纹相机来表征所产生的阿秒脉冲。阿秒条纹相机通过时间飞行谱仪(TOF)技术来测量阿秒脉冲对应的光电子能谱。高重频的阿秒脉冲的应用，在保证采集时间较短的情况下，减少单次泵浦所产生的电子数量，有效控制空间电荷效应，减小由此带来的噪声。
此外，符合测量技术能够测量带电粒子的三维动量，并通过动量守恒原理，匹配动量相符的电子和离子。与阿秒脉冲结合后，该技术能够探测到电子和离子系统的更多信息。但该系统离子(电子)产率极低，高重频的阿秒脉冲可以弥补产率低带来的缺陷。
综上所述高重频阿秒脉冲应用将十分重要，但是高重频阿秒脉冲(还包括高次谐波)的脉冲宽度测量、光电子或离子测量仍存在技术难点。在阿秒条纹相机、符合测量等光电子或离子动能测量设备中，时间飞行谱仪是这类设备的核心部分。时间飞行谱仪的飞行管长度决定了能谱分辨率，所以通常都会增加飞行管长度到几米至十几米，甚至大于二十米。当这类高精度时间飞行谱仪工作在重复频率达到数十kHz以上时，前后两个相邻光电子脉冲將会在探测器上产生重叠，即下一个光电子脉冲的高能电子超过前一个光电子脉冲的低能电子更早到达探测器，因此造成了采集到的电子能谱的错误。
针对这类高重频脉冲光电子或离子能谱采集系统，需要发展一种能够克服脉冲光电子或离子在时间飞行管中重叠的技术。
发明内容
本发明提供了一种高重频阿秒脉冲光电子和离子能谱测量系统及方法，其解决了高达数十kHz及其以上重复频率的高重频高次谐波与阿秒脉冲的光电子或离子能谱测量过程中的电子或离子脉冲重叠问题，克服了现有的时间飞行谱仪不能适用于高重频的光电子或离子能谱测量的缺点。
本发明解决技术问题的原理方案是：
在极紫外/X射线波段的高次谐波和阿秒脉冲与靶材产生的光电子或离子脉冲测量中，通过同步控制偏置电场将光电子或离子脉冲重复频率降低，以克服其相邻脉冲交叠。实现方法是在光电子或离子脉冲进入时间飞行管后，但是在光电子或离子脉冲在时间和空间上的展宽还没有产生重叠之前，放置一个与光电子或离子脉冲同步的信号触发控制光电子或离子脉冲的选通门，该选通门只选出原光电子或离子脉冲重复频率的一定分频脉冲可通过，最终通过时间飞行管进行光电子或离子能谱测量。采用降低光电子或离子脉冲重复频率的方法，使相邻两个光电子或离子脉冲的时间间隔增大，避免在时间飞行谱仪探测器处产生两相邻脉冲的重叠。
本发明解决技术问题的具体技术方案是：
本发明提供了一种高重频阿秒脉冲光电子能谱测量系统，包括高重频飞秒脉冲激光器、分束器、聚焦镜、产生介质、滤波器、靶材、极紫外/X射线聚焦镜、选通门、时间飞行管、光电子或离子探测器、光电探测器、信号放大器、计算机、时间数字转换器(Time toDigital Converter，TDC)以及控制器；
高重频飞秒脉冲激光器出射的脉冲激光经过分束器分束后，产生一部分透射脉冲激光和一部分反射脉冲激光；
所述反射脉冲激光被光电探测器接收；
所述透射脉冲激光的光路上依次经过聚焦镜、产生介质后产生出极紫外/X射线波段的高次谐波和阿秒脉冲；极紫外/X射线波段的高次谐波和阿秒脉冲再经过滤波器、极紫外/X射线聚焦镜后被聚焦至靶材上电离出光电子或离子脉冲；光电子或离子脉冲从时间飞行管入口进入时间飞行管内，再通过设置在时间飞行管内的选通门后被光电子或离子探测器接收；
所述光电探测器与信号放大器电连接；
所述选通门通过控制器与信号放大器电连接；
所述信号放大器与时间数字转换器电连接；
所述光电子或离子探测器与时间数字转换器电连接；
所述时间数字转换器与计算机电连接；
所述产生介质、滤波器、靶材、极紫外/X射线聚焦镜、时间飞行管以及光电子或离子探测器均位于真空环境中。时间飞行管以及光电子或离子探测器还需要进行隔磁处理，采用隔磁材料将外界磁场及地磁场隔离。
进一步地，为了使该系统更加有效的控制光电子或离子脉冲，便于选取一定能量谱段范围进行采集，同时还为了提高一定谱段的能谱分辨率，上述系统还包括延迟电场栅网和电压源，所述延迟电场栅网位于时间飞行管内且设置在选通门前方或者后方；电压源位于时间飞行管外用于向延迟电场栅网提供电势差。
进一步地，上述选通门由两块电极板或栅网组成。
进一步地，上述产生介质采用气体介质或固体介质；当采用气体介质时选用气体喷嘴或气体室或波导管，当采用固体介质时选用反射式块材料或透射式薄膜。
进一步地，为了产生孤立阿秒脉冲，通常根据飞秒脉冲驱动源的参数特性，采用不同种类的光学门(Optical Gating)放置于分束器与聚焦镜之间或者聚焦镜与产生介质之间；其中，光学门采用偏振门或幅度门或电离门或双色门或多色门或双光门或空间门。
进一步地，所述光电子或离子探测器是微通道板或快速电极。
基于上述高重频阿秒脉冲光电子能谱测量系统的测量方法，具体步骤如下：
【1】极紫外/X射线波段的高次谐波和阿秒脉冲的产生、光电探测起始时间的确定以及控制器的触发；
采用高重频飞秒脉冲激光器出射脉冲激光后，产生一部分透射脉冲激光和一部分反射脉冲激光；
反射脉冲激光被光电探测器接收，并经过信号放大器放大后输入至时间数字转换器作为光电子或离子探测的起始时间，记为T1；同时经过信号放大器触发控制器开启；
透射脉冲激光由聚焦镜聚焦到产生介质上，产生出极紫外/X射线波段的高次谐波和阿秒脉冲；并采用滤波器将驱动飞秒激光滤除，而极紫外/X射线波段的高次谐波和阿秒脉冲可透过；
【2】待测光电子或离子脉冲产生；
通过滤波器滤出的极紫外/X射线波段的高次谐波和阿秒脉冲再由极紫外/X射线聚焦镜聚焦到靶材上电离出待测光电子或离子脉冲；
【3】光电子或离子脉冲的选通探测；
待测光电子或离子脉冲从时间飞行管的入口进入时间飞行管内；
当需要阻止待测光电子或离子脉冲通过时间飞行管时，控制器控制光电子或离子脉冲选通门上加载的电压不为0，光电子或离子脉冲在光电子或离子脉冲选通门的作用下进行偏转并被时间飞行管的管壁吸收而不能通过时间飞行管；
当需要光电子或离子脉冲通过时间飞行管并被光电子或离子探测器接收时，控制器控制光电子或离子脉冲选通门上加载的电压为0，光电子或离子脉冲可通过选通门直接到达光电子或离子探测器；光电子或离子探测器采集到光电子或离子脉冲后并将信号传输至时间数字转换器，确定光电子或离子探测终止时间，记为T2；
【4】获取光电子或离子脉冲的能谱或动量谱分布；
时间数字转换器将光电探测起始时间T1和光电探测终止时间T2之差ΔT输入至计算机进行储存和处理，最终获得光电子或离子脉冲的能谱或动量谱分布情况。
进一步地，所述步骤【3】中在光电子或离子脉冲经过选通门之前或之后增加延迟处理。
本发明的优点在于：
(1)本发明可在光电子或离子脉冲产生并且进入时间飞行管后，采用选通门技术进行降低重复频率操作，此处的光电子或离子脉冲在时间和空间上的展宽量还不会出现重叠，有利于降低光电子或离子脉冲重复频率。
(2)本发明可将选通门放置于时间飞行管内，此处的光电子或离子脉冲得到一定的展宽，但是相邻两个光电子或离子脉冲还没有产生重叠，因此可设置选通门与光电子或离子脉冲之间延时和选通门的时间宽度，选择一定范围的能谱段可通过，从而实现所需的能谱段进行测量。
(3)本发明还可在选通门之前或之后沿时间飞行管轴向放置延迟电场。在时间飞行管长度确定的情况下，由于高能电子的动能大、速度快，时间飞行谱仪对高能段光电子或离子的能量分辨率通常较低。因此，本方法可采用选通门将高能段光电子或离子选出，然后由延迟电场将高能光电子或离子的动能向低能段统一平移，最终通过时间飞行管到达探测器，这样可提高一定谱段内的能谱分辨率。也可以先通过延迟电场，然后通过选通门。
(4)本发明在优点(3)所述的基础上，对于一个待测的光电子或离子能谱，可通过选通门选出不同能谱段分别测量，最终把全部的不同能谱段数据合成，即可得到完整的宽能谱范围、高能谱分辨率的光电子或离子能谱图。
(5)本发明可适用于不同种类的时间飞行谱仪，包括自由场、匀强磁场、磁瓶式时间飞行谱仪。并且该方法适用于电子、离子的动能或动量谱测量。
附图说明
图1为单个光电子或离子脉冲在时间飞行管中传播示意图；
图2为两个相邻光电子或离子脉冲在时间飞行管中传播示意图；
图3为本发明系统结构示意图。
附图标记如下：
1-高重频飞秒脉冲激光器；2-分束器；3-聚焦镜；4-产生介质；5-滤波器；6-靶材；7-极紫外/X射线聚焦镜；8-选通门；9-延迟电场栅网；10-电压源；11-时间飞行管；12-光电子或离子探测器；13-光电探测器；14-信号放大器；15-计算机；16-时间数字转换器；17-控制器。
具体实施方式
目前光电子能谱探测的原理是：
在阿秒条纹相机和符合测量这类光电子和离子能量或动量测量技术中，通常用到时间飞行谱仪。如图1所示，在0位置产生的待测电子和离子脉冲进入时间飞行谱仪中传播，随着传播距离的增加，待测脉冲不断展宽，最终到达位于L处的探测器，根据待测电子和离子到达时间的不同，最终可转化为动能或动量值。
但是，当光电子或离子脉冲的工作重复频率较高时，会发生如图2所示的情况，时间上前后间隔Δt的两个脉冲会随着传播距离的增加而出现在时间上和空间上的重叠，最终导致位于L处的探测器无法分辨出相邻脉冲，从而出现采集结果错误。
本发明基本实现原理：
当光电子或离子脉冲进入时间飞行管后，在时间飞行管内放置一对加载偏置电压的偏转板或栅网，该电压由与光电子或离子脉冲同步信号来触发并控制，形成一个光电子或离子脉冲的选通门。需要降频时在偏转板或栅网上加载一定的电压，使光电子或离子脉冲偏转到偏转板上(或者偏转后透过栅网到达飞行管壁吸收)，从而不能通过时间飞行管到达探测器；只选出所需分频光电子或离子脉冲在偏转板或栅网无偏压的情况下通过，经时间飞行管到达光电子或离子探测器；还可以设置同步控制选通门的开门时间和门宽度，实现一定能谱段的选通。并且在选通门之前或之后沿时间飞行管轴向放置一对栅极，栅极上可加载延迟电场，将高能段的光电子或离子能谱整体平移到低能段，提高光电子或离子脉冲能谱或动量谱的分辨率。
实施例
如图3，本实施例的结构如下文所述：
一种高重频阿秒脉冲光电子能谱测量系统，包括高重频飞秒脉冲激光器1、分束器2、聚焦镜3、产生介质4、滤波器5、靶材6、极紫外/X射线聚焦镜7、选通门8、时间飞行管11、光电子或离子探测器12、光电探测器13、信号放大器14、计算机15、时间数字转换器16以及控制器17；
高重频飞秒脉冲激光器1出射的脉冲激光经过分束器2分束后，产生一部分透射脉冲激光和一部分反射脉冲激光；
所述反射脉冲激光被光电探测器13接收；
所述透射脉冲激光的光路上依次经过聚焦镜3、产生介质4后产生出极紫外/X射线波段的高次谐波和阿秒脉冲；极紫外/X射线波段的高次谐波和阿秒脉冲再经过滤波器5、极紫外/X射线聚焦镜7后被聚焦至靶材6上电离出光电子或离子脉冲；光电子或离子脉冲从时间飞行管11入口进入时间飞行管11内，再通过设置在时间飞行管11内的选通门8后被光电子或离子探测器12接收。
在时间飞行管的光电子和离子入口端附近，且在光电子或离子脉冲在时间和空间上的展宽还没有产生重叠之前，放置选通门8，选通门由两块电极板或栅网组成，通过在选通门上加载适当电压使两极板或栅网之间形成与时间飞行管轴向垂直的电场，可使光电子或离子脉冲偏转并被吸收而不能通过时间飞行管。
选通门8通过控制器17与信号放大器14电连接；光电探测器13通过信号放大器14与时间数字转换器16电连接；光电子或离子探测器12与时间数字转换器16电连接；时间数字转换器16与计算机15电连接。
为了使该系统更加有效的控制光电子或离子脉冲，便于选取一定能量谱段范围进行采集，同时还为了提高一定谱段的能谱分辨率，上述系统还包括延迟电场栅网9和电压源10，所述延迟电场栅网9位于时间飞行管11内且设置在选通门8前方或者后方；电压源10位于时间飞行管11外用于向延迟电场栅网9提供电势差。
其中由于极紫外/X射线波段的高次谐波和阿秒脉冲通常都在极紫外/X射线波段，所以其产生与测量都必须在高真空环境下进行，如图3中虚线框内部分是高真空部分(产生介质、滤波器、靶材、极紫外/X射线聚焦镜、时间飞行管以及光电子或离子探测器均位于真空环境中)。
采用该系统进行测量的方法如下：
【1】高重频的极紫外/X射线波段的高次谐波和阿秒脉冲产生、光电探测起始时间的确定以及控制器的触发；
采用高重频飞秒脉冲激光器1作为驱动源，经过分束器2将飞秒脉冲分出少许(例如1％)反射脉冲激光用于触发光电探测器13，并经过信号放大器14放大后输入至时间数字转换器16作为光电探测起始时间，记为T1，同时信号放大器14触发控制器17开启；
其余的透射脉冲激光透过分束器2由聚焦镜3聚焦到产生介质4上，产生出极紫外/X射线波段的高次谐波和阿秒脉冲；并采用滤波器将驱动飞秒激光滤除，而极紫外/X射线波段的高次谐波和阿秒脉冲可透过。
产生介质4可为气体、固体，气体介质采用气体喷嘴或气体室或波导管，固体介质可制作成反射式块材料或透射式薄膜。
为了产生孤立阿秒脉冲，通常根据飞秒脉冲驱动源的参数特性，采用不同种类的光学门技术放置于分束器2与聚焦镜3之间或者聚焦镜3与产生介质4之间。其中，光学门主要包括偏振门、幅度门、电离门、双色门、多色门、双光门、空间门等。
一般的时间飞行谱仪通常包括时间飞行管11和光电子或离子探测器12，时间飞行管外需要采用隔磁技术将地磁场隔离，此处的时间飞行谱仪可采用自由场、匀强磁场、磁瓶(Magnetic Bottle)式时间飞行谱仪，其中匀强磁场、磁瓶式时间飞行管上需要包含线圈形成磁场。而且，光电子或离子探测器12是微通道板(MCP)、快速电极等器件。图3中还示意了带负电的电子在时间飞行管内的运动方向。
【2】待测光电子或离子脉冲产生；
通过滤波器滤出的极紫外/X射线波段的高次谐波和阿秒脉冲再由极紫外/X射线聚焦镜聚焦到靶材上电离出待测光电子或离子脉冲；
【3】光电子或离子脉冲的选通探测；
待测光电子或离子脉冲从时间飞行管的入口进入时间飞行管内，
当需要阻止待测光电子或离子脉冲通过时间飞行管时，控制器控制光电子或离子脉冲选通门上加载的电压不为0，光电子或离子脉冲在光电子或离子脉冲选通门的作用下进行偏转并被时间飞行管的管壁吸收而不能通过时间飞行管；
当需要光电子或离子脉冲通过时间飞行管并被光电子或离子探测器接收时，控制器控制光电子或离子脉冲选通门上加载的电压为0，光电子或离子脉冲可直接通过选通门直接到达光电子或离子探测器；光电子或离子探测器采集到光电子或离子脉冲后并将信号传输至时间数字转换器，确定光电探测终止时间，记为T2；
【4】获取光电子或离子脉冲的能谱或动量谱分布；
时间数字转换器分别将光电探测起始时间T1和光电探测终止时间T2之差ΔT输入至计算机进行储存和处理，最终获得光电子或离子脉冲的能谱或动量谱分布情况。
具体说明：该选通门由控制器17提供电压信号控制打开或关闭，光电探测器13获得的同步信号进入电信号放大器14，然后放大器14进行触发控制器17。因此，选通门8上加载的控制信号与待测的光电子或离子脉冲是具有一定固有延时的同步信号。通过控制器17可实现光电子或离子脉冲的重复频率降低；并且采用控制器17可设置选通门的开关时间点，实现一定能谱范围的选通。
在选通门8之前或之后放置一对延迟电场栅网9，采用可调的直流电压源10为延迟电场栅网9提供一定的电势差。当电子或离子通过延迟电场栅网9形成的匀强电场时，其动能会得到相应的增加或减小。
当时间飞行管的长度确定时，由于电子或离子的动能越高分辨率越低，所以可通过选通门8选出一定能谱范围的电子或离子，再通过延迟电场栅网9将电子或离子的动能降低，然后通过时间飞行管到达光电子或离子探测器12，该方法相当于将高能谱段电子向低能谱段整体平移，但是提高了能谱分辨率。该方法也可以将延迟电场放置在选通门之前，使电子或离子先经过延迟电场再进行选通。
最后的时间飞行谱仪的信号采集由光电子或离子探测器12获得，信号输入到时间数字转换器16中，并作为时间数字转换的终止时间。而时间数字转换器16的起始时间是由光电探测器13得到并经过信号放大器14放大后输入的。最终时间数字转换器16得到的光电子或离子在时间飞行谱仪中飞行的时间，其结果输入计算机15进行存储和处理，即可获得光电子或离子脉冲的能谱或动量谱。
Claims (8)
1.一种高重频阿秒脉冲光电子和离子能谱测量系统，其特征在于：
包括高重频飞秒脉冲激光器、分束器、聚焦镜、产生介质、滤波器、靶材、极紫外/X射线聚焦镜、选通门、时间飞行管、光电子或离子探测器、光电探测器、信号放大器、计算机、时间数字转换器以及控制器；
高重频飞秒脉冲激光器出射的脉冲激光经过分束器分束后，产生一部分透射脉冲激光和一部分反射脉冲激光；
所述反射脉冲激光被光电探测器接收；
所述透射脉冲激光的光路上依次经过聚焦镜、产生介质后产生出极紫外/X射线波段的高次谐波和阿秒脉冲；极紫外/X射线波段的高次谐波和阿秒脉冲再经过滤波器、极紫外/X射线聚焦镜后被聚焦至靶材上电离出光电子或离子脉冲；光电子或离子脉冲从时间飞行管入口进入时间飞行管内，再通过设置在时间飞行管内的选通门后被光电子或离子探测器接收；
所述光电探测器与信号放大器电连接；
所述选通门通过控制器与信号放大器电连接；
所述信号放大器与时间数字转换器电连接；
所述光电子或离子探测器与时间数字转换器电连接；
所述时间数字转换器与计算机电连接；
所述产生介质、滤波器、靶材、极紫外/X射线聚焦镜、时间飞行管以及光电子或离子探测器均位于真空环境中；
时间飞行管、光电子或离子探测器均进行隔磁处理。
2.根据权利要求1所述的高重频阿秒脉冲光电子和离子能谱测量系统，其特征在于：
还包括延迟电场栅网和电压源，所述延迟电场栅网位于时间飞行管内且设置在选通门前方或者后方；电压源位于时间飞行管外用于向延迟电场栅网提供电势差。
3.根据权利要求1或2所述的高重频阿秒脉冲光电子和离子能谱测量系统，其特征在于：所述选通门由两块电极板或栅网组成。
4.根据权利要求3所述的高重频阿秒脉冲光电子和离子能谱测量系统，其特征在于：所述产生介质采用气体介质或固体介质；当采用气体介质时选用气体喷嘴或气体室或波导管，当采用固体介质时选用反射式块材料或透射式薄膜。
5.根据权利要求4所述的高重频阿秒脉冲光电子和离子能谱测量系统，其特征在于：还包括光学门；光学门设置在分束器与聚焦镜之间或者设置在聚焦镜与产生介质之间；其中，光学门采用偏振门或幅度门或电离门或双色门或多色门或双光门或空间门。
6.根据权利要求5所述的高重频阿秒脉冲光电子和离子能谱测量系统，其特征在于：所述光电子或离子探测器是微通道板或快速电极。
7.一种基于权利要求1所述的高重频阿秒脉冲光电子和离子能谱测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
【1】极紫外/X射线波段的高次谐波和阿秒脉冲的产生、光电探测起始时间的确定以及控制器的触发；
采用高重频飞秒脉冲激光器出射脉冲激光后，产生一部分透射脉冲激光和一部分反射脉冲激光；
反射脉冲激光被光电探测器接收，并经过信号放大器放大后输入至时间数字转换器作为光电探测起始时间，记为T1；
反射脉冲激光被光电探测器接收，并经过信号放大器触发控制器开启；
透射脉冲激光由聚焦镜聚焦到产生介质上，产生出极紫外/X射线波段的高次谐波和阿秒脉冲；滤波器将驱动飞秒激光滤除，仅剩极紫外/X射线波段的高次谐波和阿秒脉冲；
【2】待测光电子或离子脉冲产生；
通过滤波器滤出的极紫外/X射线波段的高次谐波和阿秒脉冲再由极紫外/X射线聚焦镜聚焦到靶材上电离出待测光电子或离子脉冲；
【3】光电子或离子脉冲的选通探测；
待测光电子或离子脉冲从时间飞行管的入口进入时间飞行管内；
当需要阻止待测光电子或离子脉冲通过时间飞行管时，控制器控制光电子或离子脉冲选通门上加载的电压不为0，光电子或离子脉冲在光电子或离子脉冲选通门的作用下进行偏转，并被时间飞行管的管壁吸收而不能通过时间飞行管；
当需要光电子或离子脉冲通过时间飞行管并被光电子或离子探测器接收时，控制器控制光电子或离子脉冲选通门上加载的电压为0，光电子或离子脉冲可直接通过选通门，最终到达光电子或离子探测器；光电子或离子探测器采集到光电子或离子脉冲后并将信号传输至时间数字转换器，确定光电探测终止时间，记为T2；
【4】获取光电子或离子脉冲的能谱或动量谱分布；
时间数字转换器将光电探测起始时间T1和光电探测终止时间T2之差ΔT输入至计算机进行储存和处理，最终通过飞行时间差ΔT获得光电子或离子脉冲的能谱或动量谱分布情况。
8.根据权利要求7所述的高重频阿秒脉冲光电子和离子能谱测量方法，其特征在于，
所述步骤【3】中在光电子或离子脉冲经过选通门之前或之后均可增加延迟处理。
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