本發(fā)明涉及一種用于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域的飛秒時(shí)間分辨光電子/離子速度成像的全自動(dòng)控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

飛秒時(shí)間分辨光電子/離子速度成像在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究中有非常重要的應(yīng)用。它首先用一束飛秒脈沖激光作為泵浦光將樣品激發(fā)到高能級(jí)，處于高能級(jí)的分子會(huì)隨時(shí)間演化，為了對(duì)整個(gè)演化過(guò)程進(jìn)行研究，需要另一束飛秒脈沖激光作為探測(cè)光作用于樣品產(chǎn)生可以被光電子/離子速度成像儀探測(cè)到的光電子/離子信號(hào)，通過(guò)改變泵浦光和探測(cè)光的光程差改變二者的延遲時(shí)間，以?xún)墒馔瑫r(shí)到達(dá)樣品的時(shí)間做為零點(diǎn)，從零點(diǎn)開(kāi)始逐漸增加延遲時(shí)間并記錄相應(yīng)的信號(hào)，最后就能獲得整個(gè)演化過(guò)程中的信息。

飛秒時(shí)間分辨光電子/離子速度成像通常需要在幾十甚至上百個(gè)延遲時(shí)間點(diǎn)采集信號(hào)，同時(shí)為保證采集到的信號(hào)質(zhì)量足夠好，還需要進(jìn)行多次循環(huán)掃描，而且在許多研究中，泵浦光和探測(cè)光作用于樣品單獨(dú)產(chǎn)生的背景信號(hào)也需要扣除，所以在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要不斷控制精密光學(xué)延遲平臺(tái)、光快門(mén)和ICCD相機(jī)，同時(shí)在每次采集到信號(hào)之后，都需要手動(dòng)操作保存數(shù)據(jù)，整個(gè)過(guò)程耗時(shí)很長(zhǎng)，而且容易出錯(cuò)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種飛秒時(shí)間分辨光電子/離子速度成像的全自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠自動(dòng)根據(jù)需要不間斷對(duì)精密光學(xué)延遲平臺(tái)、光快門(mén)和ICCD相機(jī)進(jìn)行操作，采集、處理和保存信號(hào)圖像，得出光電子/離子速度分布,并給出速率分布和角分布，整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，顯著提升 效率，省時(shí)且不容易出錯(cuò)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：一種飛秒時(shí)間分辨光電子/離子速度成像的全自動(dòng)控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)主要包括兩臺(tái)時(shí)序同步的飛秒脈沖光源、一個(gè)精密光學(xué)延遲平臺(tái)、兩個(gè)用于擋光的光快門(mén)、一臺(tái)光電子/離子速度成像儀、一臺(tái)ICCD相機(jī)和一臺(tái)計(jì)算機(jī)組成；其中：

時(shí)序同步的兩臺(tái)飛秒脈沖光源分別作為泵浦光源和探測(cè)光源，泵浦光源輸出的飛秒脈沖激光作為泵浦光、探測(cè)光源輸出的飛秒脈沖激光作為探測(cè)光，飛秒脈沖激光作用于樣品后產(chǎn)生可以被光電子/離子速度成像儀探測(cè)到的光電子/離子信號(hào)，兩束光作用于樣品產(chǎn)生的信號(hào)稱(chēng)為雙色信號(hào)，單獨(dú)一束光作用于樣品產(chǎn)生的信號(hào)稱(chēng)為單色背底信號(hào)；精密光學(xué)延遲平臺(tái)用于改變探測(cè)光從探測(cè)光源到樣品的光程，由于泵浦光的光程固定，探測(cè)光的光程可變意味著兩束光到樣品的時(shí)間差可變，該時(shí)間差也稱(chēng)為延遲時(shí)間，精密光學(xué)延遲平臺(tái)的每一個(gè)位置都對(duì)應(yīng)一個(gè)延遲時(shí)間，系統(tǒng)會(huì)按照設(shè)定規(guī)則選擇從小到大的一系列延遲時(shí)間，即對(duì)應(yīng)一系列的精密光學(xué)延遲平臺(tái)位置，系統(tǒng)工作時(shí)精密光學(xué)延遲平臺(tái)受計(jì)算機(jī)的控制會(huì)按照從小到大的順序依次移動(dòng)到每一個(gè)位置，然后采集信號(hào)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為掃描，這一系列設(shè)定位置稱(chēng)為掃描位置；為了采集到足夠的信號(hào)，可能需要多次進(jìn)行這個(gè)過(guò)程，稱(chēng)為掃描循環(huán)；光快門(mén)用于擋住泵浦光或探測(cè)光中的一束以采集另一束光單獨(dú)產(chǎn)生的信號(hào)作為相應(yīng)的單色背底信號(hào)；光電子/離子速度成像儀用于探測(cè)樣品產(chǎn)生的光電子/離子速度分布信號(hào)；ICCD相機(jī)用于采集、記錄信號(hào)并且將該信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，信號(hào)以二維圖像形式被記錄；計(jì)算機(jī)用于控制整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，包括硬件配置、采集方式配置、數(shù)據(jù)采集和處理、數(shù)據(jù)顯示和保存；

計(jì)算機(jī)和包括精密光學(xué)延遲平臺(tái)、光快門(mén)、ICCD相機(jī)在內(nèi)的硬件建立連接；配置硬件參數(shù)；配置采集方式，包括：設(shè)定掃描循環(huán)次數(shù)，設(shè)定精密光學(xué)延遲平臺(tái)每次掃描中經(jīng)過(guò)的掃描位置，在每個(gè)掃描位置上采集的雙色信號(hào)數(shù)量、單色背底信號(hào)數(shù)量；計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)初始化之后按設(shè)定進(jìn)入掃描循環(huán)；控制精密 光學(xué)延遲平臺(tái)移動(dòng)到第一個(gè)設(shè)定掃描位置，泵浦光和經(jīng)過(guò)精密光學(xué)延遲平臺(tái)的探測(cè)光依次作用于樣品，樣品產(chǎn)生可以被光電子/離子速度成像儀探測(cè)到的光電子/離子信號(hào)，使用ICCD相機(jī)記錄指定數(shù)量作為雙色信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)做包括圖像變換在內(nèi)的數(shù)據(jù)處理后顯示和保存，計(jì)算機(jī)控制泵浦光光路上的光快門(mén)關(guān)閉，用ICCD相機(jī)采集探測(cè)光單獨(dú)作用于樣品產(chǎn)生的指定數(shù)量的信號(hào)作為探測(cè)光單色背底信號(hào)送入計(jì)算機(jī)處理并保存，計(jì)算機(jī)控制泵浦光光路上的光快門(mén)打開(kāi)，探測(cè)光光路上的光快門(mén)關(guān)閉，用ICCD相機(jī)采集泵浦光單獨(dú)作用于樣品后產(chǎn)生的指定數(shù)量的信號(hào)作為泵浦光單色背底信號(hào)送入計(jì)算機(jī)處理并保存；兩束光作用于樣品產(chǎn)生的雙色信號(hào)圖像按照指定算法做變換得到速度分布圖并據(jù)此計(jì)算出速率分布和角分布，顯示速度分布圖和速率分布、角分布曲線(xiàn)；計(jì)算機(jī)控制精密光學(xué)延遲平臺(tái)移動(dòng)到第二個(gè)設(shè)定掃描位置再次進(jìn)行同樣過(guò)程，依次掃描直到最后一個(gè)位置；如果設(shè)定循環(huán)次數(shù)為一次，則采集完成，如果設(shè)定循環(huán)次數(shù)多于一次，則對(duì)每一次掃描都進(jìn)行一遍上述過(guò)程，與第一次掃描不同之處是，在每一個(gè)掃描位置，計(jì)算機(jī)都會(huì)調(diào)取之前循環(huán)中在此位置上采集的所有雙色信號(hào)相加，并使用相加之后的圖像做變換得到速度分布再據(jù)此計(jì)算得到速率分布和角分布；完成指定循環(huán)次數(shù)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程結(jié)束。

計(jì)算機(jī)對(duì)精密光學(xué)延遲平臺(tái)配置的參數(shù)包括設(shè)定零刻度位置、移動(dòng)速度、加速度；對(duì)ICCD相機(jī)配置的參數(shù)包括快門(mén)延遲和寬度時(shí)間、信號(hào)增強(qiáng)倍率、圖像累加次數(shù)；對(duì)兩個(gè)光快門(mén)配置的參數(shù)包括初始化開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

在配置采集方式時(shí)對(duì)掃描位置有三種設(shè)定方式：(1)線(xiàn)性?huà)呙瑁O(shè)定起始位置、終點(diǎn)位置、步長(zhǎng)，掃描從起始位置開(kāi)始，按設(shè)定步長(zhǎng)逐漸增加直到終點(diǎn)位置；(2)指數(shù)掃描，設(shè)定起始位置、終點(diǎn)位置、步長(zhǎng)參數(shù)、需掃描位置總數(shù)，按照指數(shù)增加的規(guī)則在起始位置和終點(diǎn)位置之間排列掃描位置，從小到大依次掃描；(3)直接讀取位置列表文件，把要掃描的位置事先寫(xiě)入txt文檔，計(jì)算機(jī)從文檔讀取位置列表按先后順序依次掃描。

計(jì)算機(jī)控制精密光學(xué)延遲平臺(tái)移動(dòng)到設(shè)定掃描位置時(shí)，會(huì)不間斷詢(xún)問(wèn)精 密光學(xué)延遲平臺(tái)當(dāng)前位置，直到當(dāng)前位置和設(shè)定位置之差在指定范圍內(nèi)，再進(jìn)行下一步。系統(tǒng)有暫停功能，在循環(huán)掃描采集信號(hào)的過(guò)程中，可以中途暫停程序進(jìn)行一些必要的操作，例如準(zhǔn)直激光等。

數(shù)據(jù)處理包括預(yù)處理和圖像變換，有兩種可選的預(yù)處理方式：可選扣除背底，對(duì)每一幅信號(hào)圖像扣除一幅事先采集的背底圖像，以降低ICCD相機(jī)可能存在的噪點(diǎn)和感光芯片不同區(qū)域敏感程度不均勻帶來(lái)的對(duì)圖像質(zhì)量的影響；可選對(duì)采集到的圖像做閾值處理，只有在閾值范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)被保留，其余所有點(diǎn)置零，閾值范圍可選。將做過(guò)預(yù)處理的圖像進(jìn)行圖像變換獲得光電子/離子速度分布，再據(jù)此獲得速率分布和角分布。

顯示的數(shù)據(jù)包括實(shí)時(shí)采集的圖像，實(shí)時(shí)做變換后的速度分布圖像和據(jù)此計(jì)算出的速率分布和角分布曲線(xiàn)，信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，信號(hào)強(qiáng)度是實(shí)時(shí)圖像所有數(shù)據(jù)點(diǎn)累加之和。保存數(shù)據(jù)時(shí)，單次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)保存在一個(gè)文件夾下；同時(shí)保存在同一文件夾下的還有實(shí)驗(yàn)條件，包括硬件參數(shù)和掃描設(shè)定參數(shù)以及其他可以手動(dòng)輸入的參數(shù)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：能夠自動(dòng)根據(jù)需要不間斷對(duì)精密光學(xué)延遲平臺(tái)、光快門(mén)和ICCD相機(jī)進(jìn)行操作并處理和保存獲取的信號(hào)圖像，得出光電子/離子速度分布,并給出速率分布和角分布，整個(gè)采集過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，可以顯著提升效率，而且省時(shí)不容易出錯(cuò)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的組成結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明的整體流程圖；

圖3為本發(fā)明整體流程中的硬件配置示意圖；

圖4為本發(fā)明整體流程中的采集方式配置示意圖；

圖5為本發(fā)明整體流程中的循環(huán)采集、處理、顯示保存信號(hào)的流程圖；

圖6為本發(fā)明的采集、處理、顯示和保存細(xì)節(jié)流程圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明系統(tǒng)包括兩個(gè)時(shí)序同步的飛秒脈沖光源，分別作為泵浦光源1和探測(cè)光源2，一個(gè)精密光學(xué)延遲平臺(tái)3，兩個(gè)可以用于擋光的光快門(mén)4、5，反射鏡組6，透鏡7，樣品8，光電子/離子速度成像儀9、ICCD相機(jī)10和計(jì)算機(jī)11組成，其中：

兩個(gè)時(shí)序同步的飛秒脈沖光源1、2用于輸出兩束脈沖激光，一束作為泵浦光、另一束作為探測(cè)光；反射鏡組6和透鏡7引導(dǎo)并準(zhǔn)直激光按給定的光路傳播；精密光學(xué)延遲平臺(tái)3用于改變探測(cè)光從探測(cè)光源2到樣品8的光程，由于泵浦光的光程固定，探測(cè)光的光程可變意味著兩束光到樣品8的時(shí)間差可變，該時(shí)間差也稱(chēng)為延遲時(shí)間；光快門(mén)4、5用于擋住探測(cè)光或泵浦光中的一束以采集另一束光單獨(dú)作用于樣品產(chǎn)生的信號(hào)作為單色背底信號(hào)；計(jì)算機(jī)11用于控制整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，包括配置硬件，配置采集方式，數(shù)據(jù)采集和處理，數(shù)據(jù)顯示和保存。

如圖2所示，本發(fā)明中計(jì)算機(jī)11整體工作流程為首先初始化，連接并配置包括精密光學(xué)延遲平臺(tái)3，光快門(mén)4、5，ICCD相機(jī)10在內(nèi)的硬件，配置采集方式，開(kāi)始循環(huán)掃描精密光學(xué)延遲平臺(tái)3并采集、處理、顯示和保存圖像。

如圖3所示，硬件配置包括配置精密光學(xué)延遲平臺(tái)3的零刻度、速度、加速度、最大掃描范圍，光快門(mén)4、5的初始開(kāi)關(guān)狀態(tài)，ICCD相機(jī)10的快門(mén)延遲和寬度時(shí)間、觸發(fā)方式、信號(hào)增強(qiáng)倍率。

如圖4所示，配置采集方式包括：設(shè)定掃描循環(huán)次數(shù)N，設(shè)定精密光學(xué)延遲平臺(tái)3每次循環(huán)中經(jīng)過(guò)的掃描位置從L₁、L₂到L_M，總計(jì)有M個(gè)位置，設(shè)定方式有三種：

(1)等步長(zhǎng)線(xiàn)性?huà)呙?，一共掃描M個(gè)位置，給定初始位置坐標(biāo)L₁、步長(zhǎng)s和終點(diǎn)位置坐標(biāo)L_M，則延遲平臺(tái)第j個(gè)掃描位置坐標(biāo)L_j＝L₁+jxs，直到L_j≧L_M后停止；

(2)步長(zhǎng)按指數(shù)增加，給定初始位置坐標(biāo)L₁、步長(zhǎng)參數(shù)s、終點(diǎn)位置坐標(biāo)L_M和需掃描位置總數(shù)M，則延遲平臺(tái)第j個(gè)掃描位置坐標(biāo)L_j＝s×e^kj+L₁， 關(guān)于參數(shù)k，有關(guān)系式

(3)從文件中直接讀取掃描位置L₁、L₂到L_M。

設(shè)定在每個(gè)掃描位置上采集的雙色信號(hào)數(shù)量、單色背底信號(hào)數(shù)量；設(shè)定數(shù)據(jù)處理方式包括選擇是否圖像減去背景，是否用閾值處理，以及閾值范圍；最后選擇保存位置和文件名前綴。

圖像變換獲得三維速度分布的算法如下：

系統(tǒng)采集到的待變換的圖像是一個(gè)m₀xn₀的二維矩陣P₀，由一個(gè)軸對(duì)稱(chēng)的三維分布沿對(duì)稱(chēng)軸的垂直方向壓縮投影到二維平面所得，變換就是將二維圖像矩陣P₀反演得到三維速度分布，由于該分布是軸對(duì)稱(chēng)的，所以可以用一個(gè)二維矩陣ρ來(lái)完全描述。P₀矩陣中圓心坐標(biāo)為(x_c，y_c)，對(duì)稱(chēng)軸沿y軸方向，將矩陣第y_c列兩側(cè)的矩陣元素對(duì)稱(chēng)相加，即第y_c-i列的元素和y_c+i-1列的元素相加，得到新的矩陣P的第i列元素，i是從1到n的正整數(shù)，整數(shù)n是y_c和n₀-y_c兩者中的較小值，P是m₀x n矩陣，按下式即可獲得速度分布矩陣ρ，

上式中M為n x n維常數(shù)矩陣，其元素M_ij的值如下：

M_ij＝0 i+j>n+1

按照下式即可根據(jù)速度分布矩陣ρ求出速度分布I(v)：

上式中ρ(v,θ)是已求解得出的速度分布矩陣，k是圖像半徑和速度大小之間的校正系數(shù)，v是速度大小，θ是方位角。

按照下式即可根據(jù)速度分布矩陣ρ求出角分布I(θ)：

如圖5所示，進(jìn)入采集階段后，計(jì)算機(jī)首先按照所選的掃描位置設(shè)定方式生成位置列表，逐次進(jìn)行循環(huán)掃描，如果中途不停止，則從第i＝1次開(kāi)始循環(huán)掃描到第i＝N次，每一次掃描開(kāi)始先初始化精密光學(xué)延遲平臺(tái)3和光快門(mén)4、5，發(fā)送命令給精密光學(xué)延遲平臺(tái)3移動(dòng)到第j＝1個(gè)設(shè)定位置L₁，判斷到達(dá)指定位置后，采集、處理、顯示和保存信號(hào)圖像與背底圖像，判斷是否有暫停命令，如果有則進(jìn)行等待直到收到重啟命令進(jìn)行下一步，判斷是否有停止命令，如果有則中止整個(gè)采集過(guò)程，如果沒(méi)有則控制精密光學(xué)延遲平臺(tái)3移動(dòng)到第j＝2個(gè)設(shè)定位置L₂再次進(jìn)行同樣過(guò)程，依次掃描直到在最后第j＝M個(gè)位置L_M完成同樣采集過(guò)程。

如圖6所示，在每一個(gè)精密光學(xué)延遲平臺(tái)3位置上，具體的采集方式是打開(kāi)兩個(gè)光快門(mén)4、5，泵浦光和經(jīng)過(guò)精密光學(xué)延遲平臺(tái)3的探測(cè)光依次作用于樣品，樣品產(chǎn)生信號(hào)，使用ICCD相機(jī)10采集記錄信號(hào)，送入計(jì)算機(jī)11做數(shù)據(jù)預(yù)處理后顯示和保存，如果是第一次循環(huán)(i＝1)，則將預(yù)處理后的圖像作為疊加圖像保存并且做變換得到速度分布，然后顯示結(jié)果；如果不是第一次循環(huán)(i≠1)則首先調(diào)取疊加圖像并和新采集的圖像相加作為新的疊加圖像并保存然后對(duì)新的疊加圖像做變換得到速度分布，然后顯示。計(jì)算機(jī)控制泵浦光光路上的光快門(mén)5關(guān)閉，采集探測(cè)光單獨(dú)打入樣品后產(chǎn)生的信號(hào)送入計(jì)算機(jī)11處理并保存，控制泵浦光光路上的光快門(mén)5打開(kāi)，探測(cè)光光路上的光快門(mén)4關(guān)閉，采集泵浦光單獨(dú)打入樣品后產(chǎn)生的信號(hào)送入計(jì)算機(jī)11處理并保存。

本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。