物质结构实时探测装置和方法与流程

本发明属于物质探测领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

因此，本发明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。

根据本发明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。

根据本发明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。

根据本发明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。

根据本发明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。

根据本发明的物质结构实时探测装置，优选地，所述固体靶为铜靶。

根据本发明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。

根据本发明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。

根据本发明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，本发明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。

根据本发明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。

根据本发明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，本发明的优点在于：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

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1为根据本发明实施例的实时超快x射线衍射的光路图；

图2示出根据本发明实施例的分束过程；

图3示出根据本发明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示出根据本发明实施例的衍射信号。

具体实施方式

为了使本发明的目的，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发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

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所示的根据本发明实施例的实时超快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向下传播的四束具有时间延迟的p/8光。然后，向右传播的四束p/8光到达分束镜6，向下传播的四束p/8光经过延时器9到达分束镜6，同样的道理，经过分束镜6，探测光束被分成分别向右和向上传播的八束具有时间延迟的p/16光。在该实施例中，将向右传播的八束具有时间延迟的p/16光取出，用以产生最终需要的x射线探测脉冲。返回图1，从分束单元40输出的八束同轴等强度的探测激光脉冲分别进入扩束系统10，光斑直径变大之后进入压缩器11，压缩器11依次将八束展宽的探测激光脉冲压缩至30fs，形成同轴传输的激光脉冲序列，该激光脉冲序列包含八束飞秒激光脉冲。然后，八束飞秒激光脉冲经过反射镜12到达离轴抛物面镜13，聚焦后的脉冲与置于离轴抛物面镜13的焦点处的铜固体靶14相互作用，产生八个超短的激光等离子体kαx射线脉冲序列，其脉宽与激光脉冲相当。激光等离子体kαx射线的产生原理是：高能电子轰击固体靶，将内层电子轰出形成内壳层电子空穴，电子向下补位的过程中辐射出特征x射线，这种x射线以原子荧光谱线的形式辐射出去。按主量子数，原子能级从低到高可分为k、l、m、n…其中从高能级跃迁到k壳层产生的x射线依次命名为kα、kβ…x射线聚焦镜用于将x射线聚焦至百微米的焦斑，提高x射线的强度，减少采集衍射信号的时间。在该实施例中，离轴抛物面镜13的有效焦距76mm，口径3英寸，离轴角90°，铝制基底镀金膜，用于将飞秒激光脉冲聚焦到2微米量级，使聚焦后的光强大于10¹⁸w/cm²。产生的kαx射脉冲在空间中是呈4π发散的，因此需要采用x射线聚焦镜15聚焦至待测样品27的表面。所述x射线聚焦镜是monteloptics公司生产的，源点到铍窗前表面的距离是5cm，源点到像点的距离为85cm，其放大倍数是7倍，最终x射线的聚焦光斑大约是300微米。在本发明中，分束镜3、4、5和6优选地采用低色散材料制作，如1mm的caf2、bk7等材料制成，目的是降低色散对飞秒脉冲序列脉宽的影响，从而提高x射线探测脉冲序列强度的稳定性。

继续参见图1，从分束器2反射的泵浦光束经过反射镜16反射后进入压缩器19并被压缩成超短飞秒脉冲(脉宽在百飞秒量级)，压缩器19由光栅17和光栅18组成。从压缩器19输出的超短飞秒脉冲经过反射镜20、延时器24、反射镜21、反射镜25和聚焦透镜26后聚焦至待测样品27上，光斑直径大约2mm。延时器24由两个反射镜22、23和一个电动平移台组成。在本发明中，泵浦光用于激发样品的超快动力学过程，泵浦光作用在样品上，通过热激发在短时间内将电子加热，由于晶格的热容要比电子大三个数量级，晶格温度在最初的时间里没有很大的变化。之后，电子通过电子系统和晶格系统之间的耦合传递过剩的能量，两个系统重新建立新的平衡态。该过程是一个皮秒甚至飞秒的超快过程，因此需要一束超快脉冲去探测。

在本发明的实施例中，为了获得8个超快x射线探测脉冲的衍射信号，需要测量8个超快x射线脉冲之间的时间间隔。这是一项很关键的工作，因为这涉及到时间延时的准确性，只有精确确定这8个超快x射线脉冲之间的时间间隔，才能获得衍射信号与时间的关系。可以利用泵浦光与分束之后的激光脉冲进行干涉来获取各激光脉冲之间的时间信息，所述光路图如图3所示。泵浦光30是从图1中的反射镜21后用外加的反射镜导出。飞秒脉冲序列29是从图1中的反射镜12后用外加的反射镜导出，与上述导出的泵浦光30经分束器31透射后同时被透镜32聚焦，两束光重合产生的干涉条纹被可见光成像装置，例如ccd33采集。值得注意的是，此处泵浦光30和飞秒脉冲序列29是在图1中相应光路上用外加的反射镜导出，然后再在分束器31上重合，方法灵活简单，具体操作这里不再赘述。由于飞秒脉冲序列29内包含有8个脉冲，首先需要调节泵浦光30与第一个脉冲在空间上的重合，方法是观察ccd33，调节其中一个光斑的位置，如果两个光斑的中心重合，就表明它们在空间上是重合的。然后再调节它们在时间上的重合，从而确定时间零点。方法是调节图1中的延时器24，如果在ccd33上看到干涉条纹并确定是最先看到的那个条纹，说明泵浦光30与飞秒脉冲序列29中的第一个脉冲在时间上是重合的。

接下来调节延时器24，使其往延时增加的方向运动，行走的路程d与脉冲之间的时间间隔t有关，视具体实验而定。然后调节延时器7，使泵浦光30与飞秒脉冲序列29中的第二个脉冲产生第二条干涉条纹。接下来再调节延时器24使其继续行走路程d的距离，然后调节延时器8，使泵浦光30与飞秒脉冲序列29中的第三个脉冲产生第三条干涉条纹。接下来再调节延时器24使其继续行走路程d的距离，在ccd33上能直接看到第四条干涉条纹。接下来再调节延时器24使其继续行走路程d的距离，此时调节延时器9，使泵浦光30与飞秒脉冲序列29中的第五个脉冲产生第五条干涉条纹。接下来再调节延时器24使其继续行走路程d、2d和3d的距离，在ccd33上能依次看到第六、七和八条干涉条纹，这样就精确确定了八个飞秒脉冲的时间分别是0、t、2t、3t……7t。基于此，飞秒脉冲序列与铜靶14相互作用产生的8个超快x射线脉冲串之间的时间间隔就能够精确确定。该方法调节精度非常高，脉冲之间的时间同步可以精确到飞秒脉宽量级。

接下来需要确定泵浦光与超快x射线探测脉冲序列在样品上的时空重合。撤走反射镜21和反射镜12后外加的导光用的反射镜，让泵浦光与超快x射线脉冲序列同时作用在样品上。可以用一张很薄的x射线曝光纸贴在样品27表面，超快x射线作用在x射线曝光纸上会留下一个斑点，然后调节反射镜25，让泵浦光光斑的中心与x射线曝光纸上留下的斑点重合，表明泵浦光与超快x射线脉冲序列在空间上已经重合好。进一步需要确定泵浦光与超快x射线脉冲序列中的第一个脉冲在时间上的重合，即时间零点。可以采用一个实验室常见的样品比如srcoo2.5作为验证，超快x射线脉冲序列与srcoo2.5产生的衍射信号被衍射记录仪28记录。如果不加泵浦光，在衍射记录仪28上只会出现一个衍射的光斑信号。如果加上泵浦光，在泵浦光的激励下，调节延时器24，在衍射记录仪28上会出现八个分开的衍射的光斑信号。当第一个衍射信号的位置和强度刚开始发生变化的时候，表明泵浦光与超快x射线脉冲序列中的第一个脉冲在时间上已经重合好。从而，泵浦光与超快x射线脉冲序列的八个脉冲在空间上已经重合好，与第一个脉冲在时间上也已经重合好。

8个超快x射线脉冲序列与待测样品27先后发生衍射，衍射条纹的位置和强度均有可能发生变化，衍射信号用衍射记录仪28采集。所述衍射记录仪28采用的是andor公司生产的16位单光子x射线ccd，具有较高的空间分辨率，可以记录条纹细微的变化过程。由于8个超快x射线脉冲序列动态衍射信号会在空间上有细微变化，因此衍射记录仪28就可以在空间上依次记录下这8个衍射信号，并画出它们在空间上与时间延时之间的关系，衍射信号的变化如图4所示，其中，横轴表示时间延迟，纵轴表示衍射角的变化。基于图4所示的衍射信号，就能够获取待测样品的瞬态结构变化信息，该过程通过连接至衍射记录仪的数据处理单元(图中未示出)完成。

该实施例利用时间序列化的飞秒脉冲串与铜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，方便实时地去探测物质结构信息的变化。

本发明的思想是采用超快x射线探测脉冲序列实现单发实时探测。根据本发明的其他实施例，激光探测脉冲被分成包含16束、32束等多束激光探测脉冲的脉冲序列，激光探测脉冲序列与固体靶相互作用形成x射线探测脉冲序列，实现待测样品的单发实时测量。

根据本发明的其他实施例，固体靶采用铜靶、银靶、铝靶等金属靶，此外还可以用液滴靶、气体靶等替换固体靶。

根据本发明的其他实施例，采用本领域公知的其他分束方式实现激光脉冲到激光脉冲序列的转换。

根据本发明的其他实施例，激光源的输出功率达到拍瓦(1拍瓦＝10¹⁵w)量级或以上。

根据本发明的其他实施例，采用本领域公知的其他方法测量飞秒激光脉冲序列中飞秒激光脉冲之间的时间间隔。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。