一种飞秒X-射线脉冲的测量方法及其应用

摘要

本发明公开了一种飞秒X-射线脉冲的测量方法及其应用。本发明的方法利用参数化的计算公式和光电子速度微分谱，确定测量得到的光电子能量对应的时间参量值，利用解析性的光电子能谱的微分方程及相关解谱技术，一步重建飞秒X-射线脉冲的形状和具体的时间结构。本发明的方法不需要大量的光电子能谱的时间分辨测量，也不需要的冗长的迭代计算和实验数据拟合过程，能从每个测量得到的光电子能谱重建出飞秒X-射线脉冲的时域特性。本发明的测量方法可以用于研究、分析、评估、优化飞秒X-射线脉冲光源的技术参数和性能指标；以及用于研究超快速反应动力学过程中随时间变化的相关信息。

主权项

1.一种飞秒X-射线脉冲的测量方法，其特征在于，在平行于激光线性极化方向θ=0°测量得到的光电子能谱包括以下步骤：1）激光脉冲与飞秒X-射线脉冲在时间和空间上进行交叉关联，并会聚；2）激光脉冲和飞秒X-射线脉冲经会聚后，经过氢气或惰性气体，共同激发氢原子或惰性原子产生光电子；3）用探测器探测平行于激光线性极化方向θ＝0°出射的光电子，得到由飞秒X-射线脉冲和激光脉冲共同激发、在t时刻产生且θ＝0°方向上飞出的光电子的能量W(t)；4）飞秒X-射线和激光脉冲共同激发、在t时刻产生且θ＝0°方向上飞出的光电子的能量W(t)满足下式：$W\left(t\right)=W_0+{2U}_p{F}^2\left(t\right){\sin }^2({\omega }_{L}t+\Phi )$$+\sqrt{{8U}_p{W}_0}F\left(t\right)\sin ({\omega }_{L}t+\Phi )---\left(1\right)$其中，W₀＝ω_X-I_p为光电子的初动能，而ω_X和I_p分别为飞秒X-射线脉冲的中心能量及气体原子或分子的电离能，为光电子的质动能；I为激光峰值功率密度即激光强度，ω_L为激光角频率，Φ为激光脉冲载波-包络相位，为幅度为1的高斯形激光电场包络函数，τ_L为激光脉冲宽度即半高宽FWHM；5）在θ＝0°测量得到的光电子能谱n(W)，经过归一化处理，再变换成光电子的速度谱s(V)是一个梳状谱，分布于初始速度两侧，将梳状谱s(V)的各个峰位和峰值组成另一个速度谱n(V)，取速度谱n(V)的前沿上升部分，则光电子的能量W或速度V对应的飞秒X-射线脉冲的强度分布的时间参量t可用下式计算：$V=V_0+2\sqrt{U_p}F\left(t\right)---\left(2\right)$当取速度谱n(V)的后沿下降部分时，光电子能量W或速度V对应的飞秒X-射线脉冲强度分布的时间参量t可用下式计算：$V=V_0-2\sqrt{U_p}F\left(t\right)---\left(3\right)$6）待测量的飞秒X-射线脉冲的强度随时间分布函数f(t)可用下式从光电子速度谱n(V)的微分变换方程计算：$f\left(t\right)={8\mathrm{\mu U}}_p\frac{{\mathrm{dF}}^2\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\left|\frac{\mathrm{dn}\left(V\right)}{\mathrm{dV}}\right|---\left(4\right)$其中μ是常数，导数项dF²(t)/dt直接从激光脉冲的包络函数计算得到，系数μ取值为1，用方程（4）从光电子速度谱n(V)计算f(t)，再经过幅度归一化处理，就得到了飞秒X-射线脉冲的波形。