专利名称：一种基于量子相干控制的分子光解离光电离及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及分子反应动力学技术领域，具体地说是一种基于量子相干控制的分子
光解离光电离及其装置。
背景技术：
从20世纪70年代开始，分子光解动力学成为研究分子反应动力学的一个重要分支。光解动力学不仅研究单体分子与激光的相互作用，而且是控制双分子，甚至多分子体系化学反应的重要手段。从上个世纪90年代中期开始，离子速度成像技术逐渐成为研究分子光解动力学的主要技术手段。离子速度成像技术是在传统的时间飞行质谱仪(T0F-MS)的基础上，引入离子透镜技术，将空间中不同位置但速度相同的粒子聚焦到微通道板(MCP)的同一个点上，再用增强CCD相机(ICCD)进行成像，通过对所得图像进行数学解析就可以获得不同粒子在反应中的能量分布，角度分布以及速度分布，进而反演出分子与飞秒激光脉冲相互作用的物理图像。 上个世纪80年代，Brumer和Shapiro第一次提出量子相干控制的思想，直到20世纪90年代才有实验证明。进入21世纪以来，超快飞秒激光被广泛应用，量子相干控制技术在控制化学反应、强场激光电离、高次谐波和阿秒脉冲的产生等方面都起到了非常重要的作用。通过操控飞秒激光不同频谱成分的相位和幅度，量子相干控制技术能够对分子光解离过程中不同激发态粒子数的布居，分子光致解离的产量，同一化合物电离和解离通道的分支比以及同 一分子的不同反应方向的选择进行控制。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于量子相干控制的分子光解离光电离及其装置，它将量子相干控制技术与离子速度成像技术相结合，将离子速度成像所得的速度分布，角度分布，能量分布等信息作为量子相干控制的反馈信号，通过优化激光脉冲，改变不同离子的强度比，以及选择布居同一离子信号的不同激发态，大大提高了量子相干控制的控制精度和效率。
实现本发明目的的具体技术方案是一种基于量子相干控制的分子光解离光电
离，其特点是对飞秒激光脉冲与物质相互作用得到的离子速度切片图像进行反演，以获得
通道分支比、解离电离效率、角度分布、速度分布、能量分布参数，然后将这些参数通过基于
遗传算法的闭环反馈控制程序反馈给飞秒激光脉冲整形，利用整形后的飞秒激光脉冲与分
子相互作用，改变不同产物之间的分支比，或选择同一产物的不同激发态进行布居，选择激
发不同的反应通道，以量子相干的精确控制实现对分子反应通道的选择来提高分子光解离
电离，其量子相干控制的分子光解离光电离包括以下步骤 (a)激光脉冲 中心波长为800nm，脉宽50fs的同步飞秒激光进入飞秒激光脉冲整形；
(b)分子光解离光电离
4
整形后的飞秒激光脉冲与分子束相互作用，发生光解离光电离，产生的多种离子在离子透镜组的作用下飞向微通道板，在荧光板上产生离子速度切片图像，由增强CCD相
机对其图像进行拍摄；[OOW] (c)切片图像反演 对离子速度切片图像进行反演，得到速度分布，角度分布，能量分布等参数；
(d)、基于遗传算法的闭环反馈控制 将参数通过基于遗传算法的闭环反馈控制程序反馈给飞秒激光脉冲整形，利用整形后的飞秒激光脉冲与分子相互作用，改变不同产物之间的分支比，或选择同一产物的不同激发态进行布居，以选择激发不同的反应通道。 —种基于量子相干控制的分子光解离光电离装置，其特点是该装置由飞秒激光脉冲整形系统、分子光解离光电离系统、数据采集和软件系统组成，分子光解离光电离系统将飞秒激光脉冲与物质相互作用得到的离子进行切片成像，运行软件系统中的图像处理程序对离子速度切片图像进行处理，获得速度分布、角度分布、能量分布参数，然后将这些参数通过数据采集和软件系统处理反馈给飞秒激光脉冲整形系统，以优化激光脉冲改变不同离子的强度比和不同的产物分支比，或选择布居同一产物中不同的激发态，以选择激发同一产物中不同的反应通道，实现分子光解离电离中量子相干的精确控制； 飞秒激光脉冲整形系统由同步飞秒激光、第一闪耀光栅、第一凹面镜、空间光调制器、第二凹面镜和第二闪耀光栅组成，空间光调制器设置在第一凹面镜与第二凹面镜之间，第一闪耀光栅与第一凹面镜两两对应设置，第二凹面镜与第二闪耀光栅两两对应设置，使飞秒激光的光路在同一水平面上； 分子光解离光电离系统由惰性气体源、样品池、真空腔体、前级干泵、分子泵、二维
调节盘组成，真空腔体为上、下两圆柱腔体呈倒置的"T"形设置，且两圆柱腔体轴线垂直，上
圆柱腔体内设有连接脉冲电源的脉冲阀，脉冲阀的下方设有漏勺，下圆柱腔体内设有连接
第一高压直流电源的第一极板、第二极板、第三极板、第四极板以及接地的漂移极极板组，
下圆柱腔体的侧端设有连接第二高压直流电源的微通道板、连接第三高压直流电源的荧光
板，荧光板外侧对应设置增强CCD相机、光电倍增管，上圆柱腔体顶部设有二维调节盘，其
一侧设有前级干泵、分子泵，下圆柱腔体上设有另一前级干泵、分子泵，样品池由第二载气
管经二维调节盘与脉冲阀连接，样品池由第一载气管与惰性气体源连接； 数据采集和软件系统由增强CCD相机、光电倍增管、计算机、数据采集卡组成，计
算机分别与空间光调制器、增强CCD相机连接，数据采集卡与光电倍增管连接。 所述空间光调制器由两块液晶板组合而成，设置在第一凹面镜的焦平面上，对各
频率成分的激光脉冲进行相位和幅度或纯相位的调制。 所述漏勺与脉冲阀同轴设置，且位于第一极板与第二极板之间的中心位置。 所述二维调节盘为相互垂直的两调节螺旋杆，微调脉冲阀的位置，使脉冲分子束
与调制后的同步激光在第一极板与第二极板之间的中心位置相互作用。 所述漂移极极板组由依次连接的数块中心设有圆孔的不锈钢圆板组成，沿下圆柱
腔体轴线设置。 所述第一极板、第二极板、第三极板、第四极板和漂移极极板组构成的离子透镜组与微通道板、荧光板同轴设置。
所述数据采集卡为双通道采样，最高采样率2GS/s，8位垂直分辨率，Memory256MB。
所述计算机设有包括基于遗传算法的闭环反馈控制程序、开环主动控制程序和图 像处理程序的软件集成。 本发明与现有技术相比具有大大提高了量子相干控制的精度和效率，它将传统的 荧光强度、电离信号和强度的单变量衍变为通道分支比、解离电离效率、角度分布、速度分 布、能量分布的多变量反馈控制，对分子与激光脉冲相互作用过程中的速度分布、角度分布 以及能量分布的精确记录，以实现对分子反应过程的精密操控，选择不同产物的分支比或 同一产物中不同的反应通道。
图1为本发明结构示意图
图2为本发明操作流程图
具体实施例方式
参阅附图1，本发明由飞秒激光脉冲整形系统34、分子光解离光电离系统35、数据 采集和软件系统33组成，分子光解离光电离系统35将飞秒激光脉冲与物质相互作用得到 的离子进行切片成像，运行数据采集和软件系统33中的图像处理程序对离子速度切片图 像进行反演，获得速度分布、角度分布、能量分布参数，然后由这些参数通过数据采集和软 件系统33处理反馈给飞秒激光脉冲整形系统34，以优化激光脉冲，改变不同离子的强度比 和不同产物之间的分支比，或选择同一离子信号的不同激发态进行布居，以选择激发不同 的反应通道，实现分子光解离电离中量子相干的精确控制。 上述飞秒激光脉冲整形系统34由同步飞秒激光1、第一闪耀光栅2、第一凹面镜3、 空间光调制器4、第二凹面镜5和第二闪耀光栅6组成，空间光调制器4设置在第一凹面镜 3与第二凹面镜5之间，第一闪耀光栅2与第一凹面镜3两两对应设置，第二凹面镜5与第 二闪耀光栅6两两对应设置，使飞秒激光的光路在同一水平面上。 上述分子光解离光电离系统35由惰性气体源7、样品池10、真空腔体12、前级干 泵13、分子泵14、二维调节盘30组成，真空腔体12为上、下两圆柱腔体37、38呈倒置的"T" 形设置，且两圆柱腔体轴线垂直；上圆柱腔体37内设有连接脉冲电源24的脉冲阀15，脉 冲阀15的下方设有漏勺16 ;下圆柱腔体38内设有连接第一高压直流电源25的第一极板 17、第二极板18、第三极板19、第四极板20以及接地的漂移极极板组21，由第一极板17、第 二极板18、第三极板19、第四极板20和漂移极极板组21构成离子透镜组，下圆柱腔体38 的侧端设有连接第二高压直流电源26的微通道板22、连接第三高压直流电源27的荧光板 23 ;微通道板22与荧光板23为前、后排列设置，在荧光板23外侧对应设有增强CCD相机 (ICCD) 28、光电倍增管(PMT) 29。上圆柱腔体37顶部设有二维调节盘30，其一侧设有前级 干泵13、分子泵14 ;下圆柱腔体38设有另一前级干泵13、分子泵14 ;样品池10由第二载气 管11经二维调节盘30与脉冲阀15连接，样品池10由第一载气管9与惰性气体源7连接， 第一载气管9与样品池10为液面下连接，第二载气管11与样品池10为液面上连接。
上述数据采集和软件系统33由增强CCD相机(ICCD) 28、光电倍增管(PMT) 29、计 算机31、数据采集卡32组成，计算机31分别与空间光调制器4、增强CCD相机(ICCD) 28连接，数据采集卡32与光电倍增管(PMT)29连接，计算机31设有包括基于遗传算法的闭环 反馈控制程序、开环主动控制程序和图像处理程序的软件集成，数据采集卡32为双通道采 样，最高采样率2GS/s， 8位垂直分辨率，Memory 256MB。 上述空间光调制器4由两块液晶板前、后排列组合而成，空间光调制器4设置在第 一凹面镜3的焦平面上，每块液晶板由128个液晶元组成，并通过计算机31给各液晶元独 立地施加电压，不同频率的光透射经过不同的液晶元，其传播速率发生不同的变化，从而影 响入射激光脉冲的相位和幅度。 上述漏勺16与脉冲阀15同轴设置，且位于第一极板17与第二极板18之间的中 心位置。 上述二维调节盘30为相互垂直的两调节螺旋杆，可微调脉冲阀15的位置，使脉冲 分子束与调制后的同步激光在第一极板17与第二极板18之间的中心位置相互作用。
上述漂移极极板组21由依次连接的数块中心设有圆孔的不锈钢圆板组成，沿上 圆柱腔体37的轴线设置。 上述由第一极板17、第二极板18、第三极板19、第四极板20和漂移极极板组21构 成的离子透镜组与微通道板22、荧光板23同轴设置。
参阅附图1、附图2，本发明是这样工作的
( — )、激光脉冲 中心波长为800nm，脉宽50fs的同步飞秒激光1进入飞秒激光脉冲整形系统34， 第一闪耀光栅2将激光脉冲的各频率成分在空间上色散开，第一凹面镜3将色散开的激光 脉冲聚焦到其焦平面，将光栅的角色散转换成凹面镜焦平面上的空间分离，入射激光脉冲 由时域转换到频域，完成Fourier变换。空间光调制器4放置在第一凹面镜3的焦平面上， 由计算机31通过自编的基于遗传算法的闭环反馈控制程序，将电压文件输出加载到空间 光调制器4的各液晶元上，对各频率成分的激光脉冲进行相位调制和幅度调制。第二凹面 镜5把调制过的激光脉冲再次聚焦，进行逆Fourier变换，使激光脉冲由频域转换到时域， 第二闪耀光栅6再将各频率成分激光在空间上合并，得到整形后的激光脉冲。
(二)、光解离光电离 整形后的激光脉冲进入分子光解离光电离系统35，两前级干泵13和两分子泵14 的运行保证真空腔体12的真空度在10—6mbar以上，惰性气体源7的气体经过减压阀8的减 压后由第一载气管9进入样品池10，样品池10内为待测液体样品，当位于液面以下的第一 载气管9放出气体时，将部分汽化的待测样品携带出来并由第二载气管11送至脉冲阀15， 经过二维调节盘30的校准后，脉冲阀15喷出的超声分子束经漏勺16准直后将飞到第一极 板17和第二极板18的中间位置，整形后的同步激光与脉冲阀15喷出的超声分子束相互 作用，发生解离、电离，在解离、电离过程中产生的多种离子在离子透镜组的作用下飞向微 通道板22，并在荧光板23上产生图像，增强CCD相机(ICCD) 28将荧光板23上的图像拍下 来，同时离子团中不同空间位置但速度相同的离子入射到微通道板22上的同一位置，调节 增强CCD相机(ICCD)28的扫描区间和扫描门宽，将荧光板23上的图像积分后通过采集卡 32逐个采集不同离子信号的切片图像信息。
(三)、切片图像反演 利用自编的图像处理程序对增强CCD相机(ICCD)28对拍摄到的离子切片图像进
7行反演，得到速度分布，角度分布，能量分布等信息，如增强CCD相机(ICCD) 28拍摄到的离 子X的图像有3个环，那么离子X就有三个不同的解离通道，也可以说离子X有3个不同的 激发态，反演出来的速度分布如附图2中所示，该速度分布含有a、b、c三个峰，这a、b、c三 个峰分别代表这一离子不同的解离通道及不同的激发态。
(四)、基于遗传算法的闭环反馈控制程序 运行基于遗传算法的闭环反馈控制程序，目标标准为附图2所示的速度分布图中 C峰与b峰的强度之比(C/b)，也可以说是以离子X的c激发态粒子布居数与b激发态粒子 布居数之比为目标标准，对激光脉冲进行整形 (i)随机选取一组初始值，由计算机31输出加载到空间光调制器4的液晶阵列上， 从而对激光脉冲的各个频谱成分进行相位和幅度调制。 (ii)根据目标标准，判别各个初始值的优劣，选取一定数量初始值保留下来作为 操作对象。 (iii)对保留的初始值进行一系列操作(交叉或称为杂交、变异或称为突变)得到 下一代值，由计算机31输出再次加载到空间光调制器4各液晶元的阵列上，对激光脉冲的 各个频谱成分进行相位和幅度调制。
(iv)再次根据目标标准，判别新一代的值的优劣。 (v)若当前一代值满足要求或进化过程达到一定的代数，计算结束，否则再按第 (iii)步骤继续进行。 (vi)当最终达到目标标准的要求时，附图2所示的速度分布图中c峰的强度得到 增强，而b峰的强度被削减，也可以说是，c激发态粒子布居数得到优化，b激发态粒子布居 数减少，还可以说是，离子X的解离或电离过程将选择反应通道c，而不选择反应通道b。
本发明的工作流程为中心波长为800nm，脉宽50fs的同步飞秒激光1进入飞秒 激光脉冲整形系统34后，由第一闪耀光栅2将激光脉冲的各频率成分在空间上色散开；第 一凹面镜3将色散开的激光脉冲聚焦到其焦平面，将光栅的角色散转换成凹面镜焦平面上 的空间分离，入射激光脉冲由时域转换到频域，完成Fourier变换；空间光调制器4放置在 第一凹面镜的焦平面上，由计算机31将电压文件输出加载到空间光调制器4的液晶板上， 对各频率成分的激光脉冲进行相位和幅度调制；第二凹面镜5把调制过的激光脉冲再次聚 焦，进行逆Fourier变换，使激光脉冲由频域转换到时域；第二闪耀光栅6再将各频率成分 激光在空间上合并，得到整形后的激光脉冲。经过飞秒激光的作用后，分子束中的分子将 发生库仑爆炸或者解离电离为离子，对于不同极性的离子或者电子，第一极板17、第二极板 18、第三极板19和第四极板20将分别加载不同的正高压或者负高压，保证离子团中不同空 间位置但速度相同的离子入射到微通道板22的同一位置。由于飞行腔的长度在lm左右， 离子团将被拉伸到几百个纳秒的范围，此时可以进行两方面实验 第一种，不同荷质比的离子碎片按照时间顺序先后击打到通道板22上，光电倍增 管29将荧光板23上的质谱信息后逐个采集并传送到数据采集卡32中，通过其附带的采集 程序获得不同离子的质谱信息，然后运行基于遗传算法的闭环反馈控制程序，选择两个不 同离子碎片(a，b)，将它们的强度之比(a/b)设为目标标准，使某一离子数量增多或减少甚 至消失。也可以运行开环控制程序，预先设定好某一种函数(比如正弦、方波、啁啾等)， 在一定范围内改变函数中某一参数，生成一系列电压文件，将提前生产的电压文件由计算机31逐个输出，加载到空间光调制器4的液晶阵列上，对激光脉冲的各个频谱成分进行相 位和幅度调制，得到各个离子的荷质比随激光光场的变化趋势。 第二种，不同空间位置但速度相同的离子碎片在由第一极板17、第二极板18、第 三极板19、第四极板20和漂移极极板组21构成的离子透镜组作用下击打到微通道板22上 的同一位置上，调节增强CCD相机(ICCD)28的扫描区间和扫描门宽，将荧光板23上的图像 积分后逐个采集。这样就获得了不同离子信号的切片图像信息，通过图像处理程序对这些 图像的分析，就可以获得各个离子的速度分布，角度分布以及能量分布等参数。运行基于遗 传算法的闭环反馈控制程序，以某一离子的两个不同激发态的粒子布居数的之比为目标标 准，对离子的不同激发态进行选择布居，以对离子的不同解离通道进行选择激发，使物质经 由我们特定的解离通道发生解离或电离。也可以运行开环控制程序，预先设定好某一种函 数(比如正弦、方波、啁啾等)，在一定范围内改变函数中某一参数，生成一系列电压文件； 将提前生产的电压文件由计算机31逐个输出，加载到空间光调制器4的液晶阵列上，对激 光脉冲的各个频谱成分进行相位和幅度调制，得到某一离子的不同解离通道随激光光场的 变化趋势。 以上只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本专利，凡为本发明等效实施，均 应包含于本专利的权利要求范围之内。
权利要求
一种基于量子相干控制的分子光解离光电离，其特征在于对飞秒激光脉冲与物质相互作用得到的离子速度切片图像进行反演，获得通道分支比、解离电离效率、角度分布、速度分布、能量分布参数，将这些参数通过基于遗传算法的闭环反馈控制程序反馈给飞秒激光脉冲整形，利用整形后的飞秒激光脉冲与分子相互作用，改变不同产物之间的分支比，或选择同一产物的不同激发态进行布居，选择激发不同的反应通道，通过量子相干精确控制对分子反应通道的选择，实现分子选择光解离电离，其量子相干控制的分子光解离光电离包括以下步骤(a)激光脉冲中心波长为800nm，脉宽50fs的同步飞秒激光进入飞秒激光脉冲整形；(b)分子光解离光电离整形后的飞秒激光脉冲与分子束相互作用，发生光解离光电离，产生的多种离子在离子透镜的作用下飞向微通道板，在荧光板上产生离子速度切片图像，由增强CCD相机对其图像进行拍摄；(c)切片图像反演对离子速度切片图像进行反演，得到速度分布，角度分布，能量分布参数；(d)、基于遗传算法的闭环反馈控制将上述参数通过基于遗传算法的闭环反馈控制程序反馈给飞秒激光脉冲整形，利用整形后的飞秒激光脉冲与分子相互作用，改变不同产物之间的分支比，或选择同一产物的不同激发态进行布居，以选择激发不同的反应通道。
2. —种权利要求1所述基于量子相干控制的分子光解离光电离装置，其特征在于该装置由飞秒激光脉冲整形系统、分子光解离光电离系统、数据采集和软件系统组成，分子光解离光电离系统将飞秒激光脉冲与物质相互作用得到的离子进行切片成像，运行软件系统中的图像处理程序对离子速度切片图像进行处理，获得速度分布、角度分布、能量分布参数，然后将这些参数通过数据采集和软件系统处理反馈给飞秒激光脉冲整形系统，以优化激光脉冲改变不同离子的强度比和不同的产物分支比，或选择布居同一产物中不同的激发态，以选择激发同一产物中不同的反应通道，实现分子光解离电离中量子相干的精确控制；飞秒激光脉冲整形系统由同步飞秒激光、第一闪耀光栅、第一凹面镜、空间光调制器、第二凹面镜和第二闪耀光栅组成，空间光调制器设置在第一凹面镜与第二凹面镜之间，第一闪耀光栅与第一凹面镜两两对应设置，第二凹面镜与第二闪耀光栅两两对应设置，使飞秒激光的光路在同一水平面上；分子光解离光电离系统由惰性气体源、样品池、真空腔体、前级干泵、分子泵、二维调节盘组成，真空腔体为上、下两圆柱腔体呈倒置的"T"形设置，且两圆柱腔体轴线垂直，上圆柱腔体内设有连接脉冲电源的脉冲阀，脉冲阀的下方设有漏勺，下圆柱腔体内设有连接第一高压直流电源的第一极板、第二极板、第三极板、第四极板以及接地的漂移极极板组，下圆柱腔体的侧端设有连接第二高压直流电源的微通道板、连接第三高压直流电源的荧光板，荧光板外侧对应设置增强CCD相机(ICCD)、光电倍增管，上圆柱腔体顶部设有二维调节盘，其一侧设有前级干泵、分子泵，下圆柱腔体上设有另一前级干泵、分子泵，样品池由第二载气管经二维调节盘与脉冲阀连接，样品池由第一载气管与惰性气体源连接；数据采集和软件系统由增强CCD相机、光电倍增管、计算机、数据采集卡组成，计算机分别与空间光调制器、增强CCD相机连接，数据采集卡与光电倍增管连接。
3. 根据权利要求2所述基于量子相干控制的分子光解离光电离装置，其特征在于所述空间光调制器由两块液晶板组合而成，设置在第一凹面镜的焦平面上，对各频率成分的激光脉冲进行相位和幅度调制。
4. 根据权利要求2所述基于量子相干控制的分子光解离光电离装置，其特征在于所述漏勺与脉冲阀同轴设置，且位于第一极板与第二极板之间的中心位置。
5. 根据权利要求2所述基于量子相干控制的分子光解离光电离装置，其特征在于所述二维调节盘为相互垂直的两调节螺旋杆，微调脉冲阀的位置，使脉冲分子束与调制后的同步激光在第一极板与第二极板之间的中心位置相互作用。
6. 根据权利要求2所述基于量子相干控制的分子光解离光电离装置，其特征在于所述漂移极极板组由依次连接的数块中心设有圆孔的不锈钢圆板组成，沿下圆柱腔体轴线设置。
7. 根据权利要求2所述基于量子相干控制的分子光解离光电离装置，其特征在于所述第一极板、第二极板、第三极板、第四极板和漂移极极板组构成的离子透镜组与微通道板、荧光板同轴设置。
8. 根据权利要求2所述基于量子相干控制的分子光解离光电离装置，其特征在于所述数据采集卡为双通道采样，最高采样率2GS/s， 8位垂直分辨率，Memory 256MB。
9. 根据权利要求2所述基于量子相干控制的分子光解离光电离装置，其特征在于所述计算机设有包括基于遗传算法的闭环反馈控制程序、开环主动控制程序和图像处理程序的软件集成。
全文摘要
本发明公开了一种基于量子相干控制的分子光解离光电离及其装置，其特点是以离子速度成像对正负离子以及电子的质谱及三维空间分布信息进行采集，作为量子相干控制系统的反馈控制信号，该装置包括同步激光、闪耀光栅、空间光调制器、真空腔体、离子透镜组、微通道板、计算机。本发明将量子相干控制技术与离子速度成像技术相结合，将离子速度成像系统所得的速度分布，角度分布，能量分布等信息作为量子相干控制系统的反馈控制信号，通过优化激光脉冲，可以改变不同离子的强度比，以及同一离子信号不同反应通道的分支比，大大提高了量子相干控制的精度和效率。
文档编号H01J49/16GK101752175SQ200910201010
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月11日 优先权日2009年12月11日
发明者孙盛芝, 孙真荣, 张晖, 张诗按, 杨岩, 樊露露 申请人:华东师范大学