一种同步测量分子转动温度和排列光强度的方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种同步测量分子转动温度和排列光强度的方法及系统，属于分子转动动力学领域，包括：先后利用相干的排列光和探测光作用于待测气体分子，先诱导待测气体分子出现周期性排列，然后产生高次谐波；测量排列光和探测光之间不同的时间延迟对应的目标谐波信号，并拟合目标谐波信号随时间延迟的变化曲线；分别获得目标谐波信号在1/2转动周期附近出现的局部最大值和局部最小值所对应的时间延迟；分别求解两个时间延迟对应的所有分子转动温度和排列光强度的组合，并绘制于同一坐标系中，得到两个等延迟时间曲线，将曲线交点所对应的分子转动温度和排列光强度作为同步测量结果。本发明专利技术能够实现分子转动温度和排列光强度的同步、高精度测量。

【技术实现步骤摘要】
一种同步测量分子转动温度和排列光强度的方法及系统
本专利技术属于分子转动动力学领域，更具体地，涉及一种同步测量分子转动温度和排列光强度的方法及系统。
技术介绍
相干控制的分子转动动力学能很好的连接分子坐标系和实验室坐标系。这一特性催生了许多应用，比如获得分子结构和轨道信息，观察电荷迁移乃至控制化学反应等等。在实验中，分子转动常与分子振动和电子运动耦合在一起。为了研究分子坐标系中的动力学问题，深入了解分子在时间和空间上的转动分布是至关重要的。激光诱导分子转动动力学可以理解为两个步骤：首先，排列光与分子相互作用，通过受激拉曼转换产生分子转动波包，导致分子在一个狭窄的圆锥区域短暂地排列；第二，创建的分子转动波包在无场条件下扩散和演化，该过程具有周期性。由于相干布居转动态的相位拍频与时间有关，在分子转动周期附近会出现分子排列现象。在分子排列中，激光诱导的转动动力学主要由两个因素决定：一种是分子转动温度，它决定了转动状态的初始热力学分布。第二种是排列光强度，它决定了激光与分子相互作用后转动态的重新布居。因此，准确地测量分子转动温度和排列光强度，有着重要的意义。K.Yoshii等人报道采用基于高次谐波产生的方法测量分子的转动温度(K.Yoshii,etal.,Opt.Lett.34,1651(2009))。在K.Yoshii等人的工作中，分子转动温度是在假设了排列光强度等参数的情况下，由测量的时间分辨高次谐波信号的傅里叶光谱，外加理论拟合得到的。由于K.Yoshii等人在测量分子转动温度时，仅仅假设了排列光强度，实际并没有测量排列光强度，因此，准确的排列光强度是未知的；同时，分子转动温度是基于假设的排列光强度进行测量的，因此分子转动温度也是不准确的。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种同步测量分子转动温度和排列光强度的方法及系统，其目的在于，实现分子转动温度和排列光强度的同步、高精度测量。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种同步测量分子转动温度和排列光强度的方法，包括以下步骤：(S1)先利用排列光作用于待测气体分子，以诱导待测气体分子出现周期性排列，然后利用探测光作用于待测气体分子，以产生高次谐波；(S2)测量目标阶次的高次谐波信号作为目标谐波信号，从而得到当前排列光与探测光之间的时间延迟所对应的目标谐波信号；(S3)针对多个不同的时间延迟，分别执行步骤(S1)～(S2)，从而得到多个时间延迟所对应的目标谐波信号，并由此拟合得到目标谐波信号随时间延迟的变化曲线；(S4)基于拟合结果获得目标谐波信号在1/2转动周期附近出现的局部最大值和局部最小值所对应的时间延迟，分别记为第一时间延迟和第二时间延迟；(S5)利用数值方法分别求解第一时间延迟和第二时间延迟对应的所有分子转动温度和排列光强度的组合，并在同一坐标系中绘制该求解结果，从而分别得到第一时间延迟和第二时间延迟对应的等延迟时间曲线；(S6)将两条等延迟时间曲线的交点所对应的分子转动温度和排列光强度分别作为待测气体分子的分子转动温度和排列光强度，从而完成分子转动温度和排列光强度的同步测量；其中，排列光和探测光为相干光。进一步地，目标阶次为探测光与周期性排列的待测气体分子相互作用产生的高次谐波平台区中的一个阶次。进一步地，步骤(S3)中，通过最小二乘法拟合得到目标谐波信号随时间延迟的变化曲线。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种同步测量分子转动温度和排列光强度的系统，包括：泵浦-探测装置、透镜、气体室、X射线光谱仪以及控制装置；泵浦-探测装置用于产生相干且时间延迟可调的排列光和探测光，并使得所产生的排列光和探测光先后经同一出射光路出射；透镜、气体室和X射线光谱仪依次设置于泵浦-探测装置的出射光路上；气体室用于容纳待测气体分子；透镜用于先将排列光聚焦于待测气体分子，以诱导待测气体分子出现周期性排列，然后将探测光聚焦于待测气体分子，以产生高次谐波；X射线光谱仪用于测量目标阶次的高次谐波信号作为目标谐波信号；控制装置包括拟合模块和数值求解模块；拟合模块与X射线光谱仪相连，用于通过X射线光谱仪得到当前排列光与探测光之间的时间延迟所对应的目标谐波信号；控制装置还用于根据多个时间延迟对应的目标谐波信号拟合得到目标谐波信号随时间延迟的变化曲线，并基于拟合结果获得目标谐波信号在1/2转动周期附近出现的局部最大值和局部最小值所对应的时间延迟，分别记为第一时间延迟和第二时间延迟；数值求解模块，用于利用数值方法分别求解第一时间延迟和第二时间延迟对应的所有分子转动温度和排列光强度的组合，并在同一坐标系中绘制该求解结果，从而分别得到第一时间延迟和第二时间延迟对应的等延迟时间曲线；数值求解模块，还用于将两条等延迟时间曲线的交点所对应的分子转动温度和排列光强度分别作为待测气体分子的分子转动温度和排列光强度，从而完成分子转动温度和排列光强度的同步测量。进一步地，X射线光谱仪包括：紫外平场光栅、微通道板和CCD探测器；紫外平场光栅放置于气体室后方并且与高次谐波光束之间存在一个夹角，用于将不同阶次的高次谐波在空间上分离开；微通道板放置于紫外平场光栅后方，用于接收各阶次的高次谐波信号；CCD探测器放置于微通道板后方，用于收集各阶次的高次谐波信号强度。进一步地，泵浦-探测装置包括：激光器、第一分束镜、延时线以及第二分束镜；第一分束镜设置于激光器的出射光路上，用于将激光器产生的激光分束为排列光和探测光；延时线设置于探测光的传播光路上，用于调节排列光和探测光之间的时间延迟；第二分束镜设置于排列光和探测光的光路交汇处，用于调整排列光和探测光的传播方向，使得排列光和探测光先后传播至透镜。进一步地，泵浦-探测装置还包括：第一反射镜组和第二反射镜组；第一反射镜组设置于排列光的传播光路上，用于调节排列光的传播方向；第二反射镜组设置于探测光的传播光路上，用于调节探测光的传播方向。进一步地，目标阶次为探测光与周期性排列的待测气体分子相互作用产生的高次谐波平台区中的一个阶次。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：(1)本专利技术通过实验拟合方式获取高次谐波信号随排列光和探测光之间的时间延迟的变化关系，由此得到1/2转动周期附近高次谐波信号最大值和最小值对应的时间延迟，通过理论计算获得这两个时间延迟对应的所有分子转动温度和排列光强度的组合，并在同一坐标系中绘制这两个时间延迟对应的等时间延迟曲线，由于1/2转动周期附近高次谐波信号最大值和最小值对应的时间延迟与转动温度和排列光强度都有显著的依赖关系，本专利技术根据这两个时间延迟对应的等时间延迟曲线交点能够同步获得分子转动温度和排列光强度的测量结果，并且由于这两个参数都是基于理论计算得到的，因此，其测量精度较高。总的来说，本专利技术能够实现分子转动温度和排列光强度的同步、高精度测量。(2)本专利技术以探测光与周本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种同步测量分子转动温度和排列光强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(S1)先利用排列光作用于待测气体分子，以诱导待测气体分子出现周期性排列，然后利用探测光作用于所述待测气体分子，以产生高次谐波；/n(S2)测量目标阶次的高次谐波信号作为目标谐波信号，从而得到当前所述排列光与所述探测光之间的时间延迟所对应的目标谐波信号；/n(S3)针对多个不同的时间延迟，分别执行步骤(S1)～(S2)，从而得到多个时间延迟所对应的目标谐波信号，并由此拟合得到目标谐波信号随时间延迟的变化曲线；/n(S4)基于拟合结果获得目标谐波信号在1/2转动周期附近出现的局部最大值和局部最小值所对应的时间延迟，分别记为第一时间延迟和第二时间延迟；/n(S5)利用数值方法分别求解所述第一时间延迟和所述第二时间延迟对应的所有分子转动温度和排列光强度的组合，并在同一坐标系中绘制该求解结果，从而分别得到所述第一时间延迟和所述第二时间延迟对应的等延迟时间曲线；/n(S6)将两条等延迟时间曲线的交点所对应的分子转动温度和排列光强度分别作为所述待测气体分子的分子转动温度和排列光强度，从而完成分子转动温度和排列光强度的同步测量；/n其中，所述排列光和所述探测光为相干光。/n...

【技术特征摘要】
1.一种同步测量分子转动温度和排列光强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(S1)先利用排列光作用于待测气体分子，以诱导待测气体分子出现周期性排列，然后利用探测光作用于所述待测气体分子，以产生高次谐波；
(S2)测量目标阶次的高次谐波信号作为目标谐波信号，从而得到当前所述排列光与所述探测光之间的时间延迟所对应的目标谐波信号；
(S3)针对多个不同的时间延迟，分别执行步骤(S1)～(S2)，从而得到多个时间延迟所对应的目标谐波信号，并由此拟合得到目标谐波信号随时间延迟的变化曲线；
(S4)基于拟合结果获得目标谐波信号在1/2转动周期附近出现的局部最大值和局部最小值所对应的时间延迟，分别记为第一时间延迟和第二时间延迟；
(S5)利用数值方法分别求解所述第一时间延迟和所述第二时间延迟对应的所有分子转动温度和排列光强度的组合，并在同一坐标系中绘制该求解结果，从而分别得到所述第一时间延迟和所述第二时间延迟对应的等延迟时间曲线；
(S6)将两条等延迟时间曲线的交点所对应的分子转动温度和排列光强度分别作为所述待测气体分子的分子转动温度和排列光强度，从而完成分子转动温度和排列光强度的同步测量；
其中，所述排列光和所述探测光为相干光。


2.如权利要求1所述的同步测量分子转动温度和排列光强度的方法，其特征在于，所述目标阶次为探测光与周期性排列的待测气体分子相互作用产生的高次谐波平台区中的一个阶次。


3.如权利要求1所述的同步测量分子转动温度和排列光强度的方法，其特征在于，所述步骤(S3)中，通过最小二乘法拟合得到目标谐波信号随时间延迟的变化曲线。


4.一种同步测量分子转动温度和排列光强度的系统，其特征在于，包括：泵浦-探测装置、透镜、气体室、X射线光谱仪以及控制装置；
所述泵浦-探测装置用于产生相干且时间延迟可调的排列光和探测光，并使得所产生的排列光和探测光先后经同一出射光路出射；
所述透镜、所述气体室和所述X射线光谱仪依次设置于所述泵浦-探测装置的出射光路上；
所述气体室用于容纳待测气体分子；所述透镜用于先将所述排列光聚焦于所述待测气体分子，以诱导待测气体分子出现周期性排列，然后将所述探测光聚焦于所述待测气体分子，以产生高次谐波；所述X射线光谱仪用于测量目标阶次的高次谐波信号作为目标谐波信号；
所述控制装置包括拟合模块和数值求解模块；
所述拟合模块与所述X射线光谱仪相连，用于通过所述X射线光谱仪得...

【专利技术属性】
技术研发人员：何立新，刘茹萱，翟春洋，何炎凊，王璞，兰鹏飞，陆培祥，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42