物质结构实时探测装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种物质结构实时探测装置，包括：激光源，用于输出功率达到拍瓦量级或以上的激光束；分束器，用于将所述激光束分成激光探测光束和泵浦光束；分束单元，用于将所述激光探测光束转换成同轴传输的激光探测脉冲序列；靶，用于将所述激光探测脉冲序列转换成X射线探测脉冲序列；脉冲间隔测量装置，用于测量所述X射线探测脉冲序列中相邻X射线脉冲之间的时间间隔；以及衍射信号记录仪，用于采集所述泵浦光束和所述X射线探测脉冲序列作用在待测样品上时产生的衍射信号。本发明专利技术的物质结构实时探测装置在实现实时探测的基础上极大地提高了数据采集效率。

Real time detection device and method of material structure

【技术实现步骤摘要】
物质结构实时探测装置和方法
本专利技术属于物质探测领域，尤其涉及一种物质结构实时探测装置和方法，特别地涉及一种利用飞秒级时间分辨的超快X射线对超快事件产生的瞬态衍射信号来单发实时探测物质结构信息变化的方法。
技术介绍
随着飞秒(fs)乃至阿秒(as)激光器的出现，泵浦-探测实验的时间分辨率有了质的飞跃，目前已经被提升至电子激发的时间尺度(fs～as)。目前泵浦-探测实验主要有两种，第一种是单发实时测量，通过一次泵浦得到整个反应过程，然后用超快相机记录样品的瞬态衍射信号，该方法的优势在于可探测不可逆超快过程；第二种是多发测量，对于重复的可逆过程，通过调节泵浦与探测之间的时间延时，多次测量不同延时下的物质的瞬态结构变化，最终得到整个动力学过程。对于不可逆超快过程，比如样品的超快熔化过程、结晶过程等，由于该泵浦过程可能会对样品造成一定的破坏或者具有不可逆性，如果该样品的数量又很有限，那么如何单发实时测量物质随时间的瞬态结构变化就成为了一个难题。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种物质结构实时探测装置，包括：激光源，用于输出功率达到拍瓦量级或以上的激光束；分束器，用于将所述激光束分成激光探测光束和泵浦光束；分束单元，用于将所述激光探测光束转换成同轴传输的激光探测脉冲序列；靶，用于将所述激光探测脉冲序列转换成X射线探测脉冲序列；脉冲间隔测量装置，用于测量所述X射线探测脉冲序列中相邻X射线探测脉冲之间的时间间隔；以及衍射信号记录仪，用于采集所述泵浦光束和所述X射线探测脉冲序列作用在待测样品上时产生的衍射信号。根据本专利技术的物质结构实时探测装置，优选地，所述激光探测脉冲序列包括8束激光探测脉冲、16束激光探测脉冲或者32束激光探测脉冲。根据本专利技术的物质结构实时探测装置，优选地，所述激光源为拍瓦钛宝石激光器。根据本专利技术的物质结构实时探测装置，优选地，所述分束单元包括多个分束镜和多个延时器，所述多个延时器的每一个分别设置在相邻的分束镜之间。根据本专利技术的物质结构实时探测装置，优选地，所述靶为固体靶、液滴靶或气体靶。根据本专利技术的物质结构实时探测装置，优选地，所述固体靶为铜靶。根据本专利技术的物质结构实时探测装置，优选地，所述脉冲间隔测量装置用于测量所述激光探测脉冲序列中相邻激光探测脉冲之间的时间间隔，继而得到所述X射线探测脉冲序列中相邻X射线探测脉冲之间的时间间隔。根据本专利技术的物质结构实时探测装置，优选地，所述脉冲间隔测量装置包括：第一反射镜，用于将所述泵浦光束的一部分导出；第二反射镜，用于将所述激光探测脉冲序列的一部分导出；分束器，用于使所述泵浦光束的一部分和所述激光探测脉冲序列的一部分重合而发生干涉；以及成像装置，用于监测所述干涉产生的干涉条纹。根据本专利技术的物质结构实时探测装置，优选地，还包括数据处理单元，其基于所述衍射信号获得待测样品的物质结构信息。另一方面，本专利技术还提供了一种物质结构实时探测方法，包括如下步骤：分束步骤：将输入的功率达拍瓦量级或以上的激光束分成激光探测光束和泵浦光束；激光探测脉冲序列产生步骤：将所述激光探测光束转换成同轴传输的激光探测脉冲序列；X射线探测脉冲序列产生步骤：将所述激光探测脉冲序列转换成X射线探测脉冲序列；脉冲间隔测量步骤：测量所述X射线探测脉冲序列中相邻X射线探测脉冲之间的时间间隔；以及衍射信号采集步骤：采集所述泵浦光束和所述X射线探测脉冲序列作用在待测样品上时产生的衍射信号。根据本专利技术的物质结构实时探测方法，优选地，所述激光探测脉冲序列包括8束激光探测脉冲、16束激光探测脉冲或者32束激光探测脉冲。根据本专利技术的物质结构实施探测方法，优选地，还包括数据处理步骤：基于所述衍射信号获得待测样品的物质结构信息。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：利用时间序列化的飞秒脉冲串与金属靶相互作用产生具有相同时间间隔的飞秒X射线脉冲串，X射线序列依次在样品被泵浦光作用的区域处发生衍射，通过单发实时获取物质瞬态衍射信号随时间地演化，可以将物质不可逆的动力学过程记录下来。该方法也极大地提高了数据采集效率，能够实时地探测物质结构信息的变化。附图说明以下参照附图对本专利技术实施例作进一步说明，其中：图1为根据本专利技术实施例的实时超快X射线衍射的光路图；图2示出根据本专利技术实施例的分束过程；图3示出根据本专利技术实施例的泵浦光与激光脉冲序列进行干涉以测量飞秒激光脉冲之间的时间间隔的光路图；以及图4示出根据本专利技术实施例的衍射信号。具体实施方式为了使本专利技术的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。为了了解超快运动过程的变化，必须要有比超快运动的特征时间更短的探测手段，泵浦-探测技术是超快时间分辨领域最典型且常用的实验方法。近年来，激光驱动的等离子体X射线源因其具有泵浦光与X射线探测光天然的时间同步性的优势，促进了超快X射线衍射技术的快速发展。在外界泵浦光的激励下，通过调节泵浦光与X射线探测脉冲之间的时间延时，就可以利用超快X射线对晶体产生的衍射信号的变化来探测不同时刻下结构瞬态变化的动力学过程。超快X射线是利用超快飞秒激光与物质相互作用产生的，因而其时间宽度与激光相当，具有脉宽短的优良特性。超快X射线衍射技术具有的时间分辨能力可以达到单个原子震荡周期(100fs到1ps)的尺度，同时可以对物质的结构在原子尺度上进行直接的测量。因此，超快X射线衍射技术是研究物质的瞬态结构变化，特别是研究晶格材料超快结构动力学过程的强有力的工具。参见图1所示的根据本专利技术实施例的实时超快X射线衍射的光路图。拍瓦钛宝石激光器1(例如法国Amplitudetechnology公司生产的拍瓦激光器)发射的激光束(中心波长800nm，单脉冲能量大约30J，脉宽30fs，峰值功率不小于1PW)被分束器2分成两束，透射的激光束作为探测光束，反射的激光束作为泵浦光束，探测光束进入分束单元40，在时域上被分成8束等强度同轴的脉冲序列，分束单元40的分束过程具体地参见图2，图2示出8束同轴激光脉冲的产生过程。假设到达分束镜3的探测光束强度为P，分束镜3将其等强度地分成两份，P/2的透射光继续向前传播到达分束镜4，P/2的反射光通过延时器7再到达分束镜4，延时器7根据实际需求调节透射光和反射光之间的时间延迟。接下来，P/2的透射光经过分束镜4分成P/4的透射光和P/4的反射光，P/2的反射光也经过分束镜4分成P/4的透射光和P/4的反射光，这样，通过分束镜4向右和向上传播的分别为两束具有时间延迟的P/4光。接下来，向右传播的两束P/4光到达分束镜5，向上传播的两束P/4光经过延时器8到达分束镜5，同样的道理，经过分束镜5，探测光束被分成分别向右和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种物质结构实时探测装置，包括：/n激光源，用于输出功率达到拍瓦量级或以上的激光束；/n分束器，用于将所述激光束分成激光探测光束和泵浦光束；/n分束单元，用于将所述激光探测光束转换成同轴传输的激光探测脉冲序列；/n靶，用于将所述激光探测脉冲序列转换成X射线探测脉冲序列；/n脉冲间隔测量装置，用于测量所述X射线探测脉冲序列中相邻X射线探测脉冲之间的时间间隔；以及/n衍射信号记录仪，用于采集所述泵浦光束和所述X射线探测脉冲序列作用在待测样品上时产生的衍射信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种物质结构实时探测装置，包括：
激光源，用于输出功率达到拍瓦量级或以上的激光束；
分束器，用于将所述激光束分成激光探测光束和泵浦光束；
分束单元，用于将所述激光探测光束转换成同轴传输的激光探测脉冲序列；
靶，用于将所述激光探测脉冲序列转换成X射线探测脉冲序列；
脉冲间隔测量装置，用于测量所述X射线探测脉冲序列中相邻X射线探测脉冲之间的时间间隔；以及
衍射信号记录仪，用于采集所述泵浦光束和所述X射线探测脉冲序列作用在待测样品上时产生的衍射信号。


2.根据权利要求1所述的物质结构实时探测装置，其中，所述激光探测脉冲序列包括8束激光探测脉冲、16束激光探测脉冲或者32束激光探测脉冲。


3.根据权利要求1所述的物质结构实时探测装置，其中，所述激光源为拍瓦钛宝石激光器。


4.根据权利要求1所述的物质结构实时探测装置，其中，所述分束单元包括多个分束镜和多个延时器，所述多个延时器的每一个分别设置在相邻的分束镜之间。


5.根据权利要求1所述的物质结构实时探测装置，其中，所述靶为固体靶、液滴靶或气体靶。


6.根据权利要求5所述的物质结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱常青，王进光，陈黎明，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11