高重频阿秒脉冲光电子和离子能谱测量系统及方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
高重频阿秒脉冲光电子和离子能谱测量系统及方法
本专利技术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。
技术介绍
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(CoincidenceSpectroscopy)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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术解决技术问题的具体技术方案是：本专利技术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(TimetoDigitalConverter，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(OpticalGating)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。本专利技术的优点在于：(1)本专利技术可在光电本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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....

【专利技术属性】
技术研发人员：王向林，王屹山，徐鹏，白永林，王娜娜，赵卫，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61