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方案

本发明专利技术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。

A fully automatic control system for femtosecond time-resolved photoelectron / ion velocity imaging

The invention relates to a femtosecond time-resolved photoelectron / ion velocity imaging of the automatic control system, including two sets of timing synchronization of femtosecond pulse light source, an optical delay precision platform, two for blocking the light shutter, a photoelectron / ion velocity imaging spectrometer, a ICCD camera and a computer. The whole system is controlled by computer, including the configuration function of precision optical delay optical shutter and ICCD camera platform, including hardware configuration, acquisition and control the entire experimental process, the system can image the collected real-time transform that distribution of photoelectrons / ion velocity, and gives the velocity distribution and angular distribution. Automation of the entire collection process can significantly improve efficiency.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：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。本专利技术的技术解决方案：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。本专利技术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为本专利技术的组成结构图；图2为本专利技术的整体流程图；图3为本专利技术整体流程中的硬件配置示意图；图4为本专利技术整体流程中的采集方式配置示意图；图5为本专利技术整体流程中的循环采集、处理、显示保存信号的流程图；图6为本专利技术的采集、处理、显示和保存细节流程图。具体实施方式如图1所示，本专利技术系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于：所述的系统包括时序同步的两台飞秒脉冲光源、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；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，泵浦光和探测光到达样品的时间差称为延迟时间，精密光学延迟平台的每一个位置都对应一个延迟时间，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；计算机与精密光学延迟平台、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。...

【技术特征摘要】
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，其特征在于：所述的系统包括时序同步的两台飞秒脉冲光源、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；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，泵浦光和探测光到达样品的时间差称为延迟时间，精密光学延迟平台的每一个位置都对应一个延迟时间，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；计算机与精密光学延迟平台、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...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺志刚，杨栋元，陈志超，吴国荣，戴东旭，杨学明，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21