申请/专利权人：中国科学院西安光学精密机械研究所

申请日：2019-06-27

公开（公告）日：2020-06-26

公开（公告）号：CN110231099B

主分类号：G01J11/00(20060101)

分类号：G01J11/00(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.06.26#授权;2019.10.15#实质审查的生效;2019.09.13#公开

摘要：本发明属于阿秒光学及光电子技术领域，涉及一种准实时阿秒脉冲测量方法及系统。解决了现有的阿秒脉冲测量方法耗时长，测量系统庞大，各项参数稳定性的问题，具体方法是使红外光以一定的传播角度作用于阿秒脉冲产生的光电子，使得阿秒脉冲在不同空间位置上产生的光电子受到不同强度的红外光的调制，从而将光电子时间‑能谱图中的时间信息映射到空间，不再需要对红外光和待测阿秒脉冲进行延时扫描，从而大大缩短测量阿秒脉冲所需要的时间。

主权项：1.一种准实时阿秒脉冲测量系统，包括光电子源、飞行时间管、探测器及计算机；光电子源产生的光电子经过飞行时间管后轰击在探测器上；其特征在于：所述光电子源包括稀有气体源、红外光、阿秒脉冲及均匀磁场；所述红外光与阿秒脉冲的传播方向之间有夹角且偏振方向相同；红外光与阿秒脉冲在稀有气体中聚焦，焦点位于均匀磁场内；所述探测器为具有空间及时间分辨的探测器；所述计算机中储存数据处理程序，数据处理程序在处理器中运行时实现以下过程：1】、采集光电子的飞行时间及探测器上光电子轰击的坐标位置；2】、通过对光电子的飞行时间和坐标位置信息进行处理转换，获得光电子的时间延迟-能谱信息，进而计算阿秒脉冲的时域信息。

全文数据：准实时阿秒脉冲测量方法及系统技术领域本发明属于阿秒光学及光电子技术领域，涉及一种准实时阿秒脉冲测量方法及系统。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，对阿秒脉冲自身时域信息的测量也逐渐成为必须。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测量所产生的阿秒脉冲，如KunZhaoetc.,'Tailoringa67attosecondpulsethroughadvantageousphase-mismatch',OpticsLetters,37,18,38912012。对阿秒脉冲进行测量，通常包括两个过程。首先是，对阿秒脉冲产生的光电子进行能谱测量。在这个过程中，为了减小空间电荷效应对光电子能量的影响，需要减少单次事件产生的光电子数量，并通过提高重复频率和延长积分时间来满足一定的信号强度。其次是，对红外光场和阿秒脉冲进行延时扫描。在这两个过程的共同作用下，目前实验室对阿秒脉冲的测量，通常需要耗时1小左右。实际的阿秒脉冲产生及测量系统主要包括三部分：少周期红外光驱动光源，阿秒脉冲产生源以及阿秒脉冲测量系统阿秒条纹相机。如图1所示，为现有的阿秒脉冲产生及测量系统，其中BS是宽带分光镜透射90％，反射10％@800nm，M2、M3、M4、M5均为反射镜。从M5透射的残余红外光触发光电管PD，作为时间数字转换器TDC的起始时间信号；从M5反射的红外光在Gastube中与原子相互作用，产生阿秒脉冲；HM是中心带小孔的反射镜，阿秒脉冲从中心小孔中穿过，从M4反射来的红外光从小孔四周反射；红外光和阿秒脉冲共同汇聚在稀有气体源Gasjet中，产生的光电子被微通道板探测器MCP探测到，并通过时间鉴别器CFD进行预处理，然后作为结束时间信号输入TDC，从而实现对光电子飞行时间的测量。通过对M3进行纳米精度的光程调控，控制红外光与阿秒脉冲延时扫描过程。上述系统，一方面，由于系统庞大，各项参数包括能量、载波包络相位等的长时间稳定性都受到一定的挑战；另一方面，单次采集需要耗费的时间太长，使得对研究对象的某些特性研究受到一定的限制，无法针对某些参数进行实时的对比研究。发明内容为了解决现有的阿秒脉冲测量方法耗时长，测量系统庞大，各项参数稳定性的问题，本发明提出一种准实时的阿秒脉冲测量方法及系统，具体方法是使红外光以一定的传播角度作用于阿秒脉冲产生的光电子，使得阿秒脉冲在不同空间位置上产生的光电子受到不同强度的红外光的调制，从而将光电子时间-能谱图中的时间信息映射到空间，不再需要对红外光和待测阿秒脉冲进行延时扫描，从而大大缩短测量阿秒脉冲所需要的时间。本发明的技术方案是提供一种准实时阿秒脉冲测量方法，包括以下步骤：步骤一、调整阿秒脉冲与红外光以非同轴的方式入射至阿秒脉冲测量系统的稀有气体中；步骤二、利用具有空间及时间分辨的探测器采集从飞行时间管出射的光电子位置和飞行时间；步骤三、对采集的光电子位置和飞行时间，进行反演算法处理，获得阿秒脉冲的时域信息。进一步地，由于光电子空间位置信息对应着传统阿秒脉冲测量系统中的延时扫描信息，光电子飞行时间信息对应着光电子能谱信息，为了满足算法对反演精度的要求，上述探测器的空间分辨率优于磁瓶系统的空间分辨率，时间分辨率优于200皮秒。进一步地，上述探测器为延迟线探测器。进一步地，为了使有限长度约为2mm范围内的光电子感受到红外光一个周期到两个周期左右的相位变化，阿秒脉冲与红外光传播方向之间的夹角范围为2°～3°。本发明还提供一种准实时阿秒脉冲测量系统，包括光电子源、飞行时间管、探测器及计算机；光电子源产生的光电子经过飞行时间管后轰击在探测器上；其特殊之处在于：上述光电子源包括稀有气体源、红外光、阿秒脉冲及均匀磁场；上述红外光与阿秒脉冲的传播方向之间有夹角且偏振方向相同；红外光与阿秒脉冲在稀有气体中聚焦，焦点位于均匀磁场内；上述探测器为具有空间及时间分辨的探测器；上述计算机中储存数据处理程序，数据处理程序在处理器中运行时实现以下过程：1】、采集光电子的飞行时间及探测器上光电子轰击的坐标位置；2】、通过对光电子的飞行时间和坐标位置信息进行处理转换，获得光电子的时间延迟-能谱信息，进而计算阿秒脉冲的时间信息。进一步地，红外光与阿秒脉冲之间的波矢夹角为2°～3°。进一步地，上述探测器的空间分辨率优于均匀磁场与飞行时间管构成的磁瓶系统的空间分辨率，时间分辨率优于200皮秒。进一步地，上述探测器为延迟线探测器。本发明的有益效果是：本发明通过将传统阿秒脉冲表征系统中耗时的延时扫描过程映射到空间，并结合具有空间分辨能力的磁瓶式光电子能谱测量技术和延迟线探测器，摒弃了传统技术中对红外光和待测阿秒脉冲进行延时扫描的过程，只对光电子能谱进行积分探测便可以实现对阿秒脉冲的表征，从而大大缩短测量阿秒脉冲所需要的时间。附图说明图1为传统阿秒脉冲产生和测量系统原理图；图2为实施例中阿秒脉冲和红外光入射原理图；图3为实施例中，随着红外光的传播，不同位置处阿秒脉冲所能感受到的红外相位；图4为阿秒脉冲焦线上的点，在磁瓶的作用下映射到探测器上的原理示意图；图5为实施例中阿秒脉冲测量系统原理示意图；图6为实施例中阿秒脉冲产生和测量系统示意图；图中附图标记为：1-阿秒脉冲，2-红外光，3-稀有气体源，4-飞行时间管，5-延迟线探测器，6-计算机，7-Gastube。具体实施方式以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。本实施例中阿秒脉冲波段位于极紫外，在其他实施例中阿秒脉冲可以位于其他波段。本发明通过将传统阿秒脉冲产生及测量系统中同轴的阿秒脉冲和红外光改为非同轴，实现了两束光相对延时信息到空间位置信息的映射，具体原理如图2所示。坐标系x'z'是红外光场所在的坐标系，坐标系xz代表阿秒脉冲所在的坐标系，y'轴和y轴重合，垂直于纸面。向量kIR，kXUV分别沿着z'轴和z轴，分别代表红外光和阿秒脉冲的波矢，两者存在的夹角约为2°～3°大小。红外光和阿秒脉冲的偏振方向相同，均沿着坐标轴y轴方向。r表示阿秒脉冲焦线z轴上一点在红外光坐标系中，偏离红外光轴的距离图中的红色虚线代表红外光的聚焦光斑。由于红外光的光子能量相对于惰性气体原子的电离能较低，且红外光的强度也相对不高，可以认为探测器探测到的光电子全部来自于阿秒脉冲与原子的光电离效应，也即光电子源沿着阿秒脉冲的焦线分布，其发射角度与阿秒脉冲和红外光的偏振相关，主要沿着y轴方向。图2中B、C、D三点位于阿秒脉冲焦线上。红外光电场的传播表达式可以用公式1表示，见Liang-WenPi,S.X.Hu,andAnthonyF.Starace,'Favorabletargetpositionsforintenselaseraccelerationofelectronsinhydrogen-like,highly-chargedions',PhysicsofPlasmas22,0931112015：其中，w0是束腰半径，λ，ω，k，分别是红外光的中心波长、频率、波矢和初始相位，τ是红外脉冲在时域的宽度，c是光速。z'，r在坐标系x'z'中，其与坐标系xz的转换关系如下式2r＝zsinθz′＝zcosθ2根据和的表达式，随着红外光的传播，不同位置处阿秒脉冲所能感受到的红外光相位与坐标z的关系如图3所示，其中w0＝50μm，θ＝3°，λ＝800nm。图3表明，在阿秒脉冲焦线不同位置z处，由和由于偏离光轴所产生的相位变化几乎为零，光电子源感受到的红外光相位主要由决定。若C点所在的坐标原点表示红外光的相位零点，则B、D两点的相位如图3所示。因此，阿秒脉冲焦线上不同位置对应不同的红外光相位信息，这等价于不同时刻的红外光对阿秒脉冲光电子所产生的影响，可以转换为，对阿秒脉冲焦线上不同位置产生的光电子的影响。同时本发明结合基于磁瓶技术的光电子飞行时间能谱探测技术和延迟线阳极探技术Delay-LineDetector，能够实现针对阿秒脉冲焦线上光电子源的空间分辨。图4中阿秒脉冲焦线上的B、C、D三点，能够在磁瓶的作用下映射到延迟线探测器上的B'、C'、D'三点。磁瓶技术用于光电子成像时，其空间分辨能力受到磁场强度、光电子能量及光电子发射角的空间分布等参数影响，对于空间各向同性发射的光电子，可用方程3近似计算，见P.KruitandF.H.Read,'Magneticfieldparalleliserfor2πelectron-spectrometerandelectron-imagemagnifier',J.Phys.E:Sci.Instrum.,16,3131983。其中，E是光电子的能量，单位电子伏特，Bi是磁瓶中均匀强磁场区域的磁场强度，单位特斯拉。对于空间各向同性发射的100eV光电子，当Bi约为1T时，磁瓶系统的空间分辨率约为67um。从图5可以看出，本实施例测量系统包括出射阿秒脉冲1的阿秒光源、出射红外光2的红外光源、稀有气体源3、均匀强磁场、时间飞行管4及延迟线探测器5。红外光源出射的红外光与阿秒脉冲的时间同步，且红外光2与阿秒脉冲1偏振方向相同、传播方向之间有夹角。阿秒脉冲1与红外光2聚焦后，焦点在稀有气体中重合，均匀强磁场覆盖至少焦点前后各1mm。阿秒脉冲的焦线和稀有气体原子作用产生的光电子，被均匀强磁场偏转后，随着渐变的磁场线，进入均匀弱磁场区域飞行时间管4，最终轰击在延迟线探测器5上。通过同步的参考信号，延迟线探测器控制器5可以获得光电子从产生到最终轰击在探测器上的时间差，同时记录轰击在探测器上的坐标位置。通过对光电子的飞行时间和坐标位置信息进行处理转换，具体过程见KunZhaoetc.,'Tailoringa67attosecondpulsethroughadvantageousphase-mismatch',OpticsLetters,37,18,38912012。最终可以获得光电子的时间延迟-能谱信息，进而计算阿秒脉冲的时间信息。如图6是本实施例的阿秒脉冲产生和测量系统，其中红外光源和阿秒脉冲产生部分与传统方案一致。但在阿秒脉冲表征部分，入射到稀有气体中的阿秒脉冲和红外光存在一定的夹角，可以通过调节各反射镜的角度，使得红外光以偏心的方式入射至HM反射镜且需要结合磁瓶技术的光电子飞行时间谱仪传统方案中，可以使用无磁场光电子飞行时间谱仪和延迟线探测器来进行光电子的探测。测量前，需要通过调节图6中的M3反射镜来精密调节红外光和阿秒脉冲在Gasjet中的时间重合精度。测量时，不再需要调节M3来进行延时扫描传统方案需要这个延时扫描过程，只需要对光电子能谱进行积分测量，以得到足够强度的信号即可。延迟线探测器通过Control将处理过的光电子位置和飞行时间信息传输到计算机上，通过算法对采集到的数据进行反演，即可获得阿秒脉冲的时间信息，实现对阿秒脉冲的表征。

权利要求：1.一种准实时阿秒脉冲测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、调整阿秒脉冲与红外光以非同轴的方式入射至阿秒脉冲测量系统的稀有气体中；步骤二、利用具有空间及时间分辨的探测器采集从飞行时间管出射的光电子位置和飞行时间；步骤三、对采集的光电子位置和飞行时间，进行反演算法处理，获得阿秒脉冲的时域信息。2.根据权利要求1所述的准实时阿秒脉冲测量方法，其特征在于：所述探测器的空间分辨率优于磁瓶系统的空间分辨率，时间分辨率优于200皮秒。3.根据权利要求2所述的准实时阿秒脉冲测量方法，其特征在于：所述探测器为延迟线探测器。4.根据权利要求3所述的准实时阿秒脉冲测量方法，其特征在于：阿秒脉冲与红外光传播方向之间的夹角范围为2°～3°。5.一种准实时阿秒脉冲测量系统，包括光电子源、飞行时间管、探测器及计算机；光电子源产生的光电子经过飞行时间管后轰击在探测器上；其特征在于：所述光电子源包括稀有气体源、红外光、阿秒脉冲及均匀磁场；所述红外光与阿秒脉冲的传播方向之间有夹角且偏振方向相同；红外光与阿秒脉冲在稀有气体中聚焦，焦点位于均匀磁场内；所述探测器为具有空间及时间分辨的探测器；所述计算机中储存数据处理程序，数据处理程序在处理器中运行时实现以下过程：1】、采集光电子的飞行时间及探测器上光电子轰击的坐标位置；2】、通过对光电子的飞行时间和坐标位置信息进行处理转换，获得光电子的时间延迟-能谱信息，进而计算阿秒脉冲的时间信息。6.根据权利要求5所述的准实时阿秒脉冲测量系统，其特征在于：红外光与阿秒脉冲之间的波矢夹角为2°～3°。7.根据权利要求6所述的准实时阿秒脉冲测量系统，其特征在于：所述探测器的空间分辨率优于均匀磁场与飞行时间管构成的磁瓶系统的空间分辨率，时间分辨率优于200皮秒。8.根据权利要求7所述的准实时阿秒脉冲测量系统，其特征在于：所述探测器为延迟线探测器。

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