阿秒X-射线脉冲强度和啁啾时间分布的测量方法及应用

摘要

本发明公开了一种同时确定阿秒X-射线脉冲强度和啁啾时间分布的测量方法及应用。本发明的方法利用参数化的计算公式从两种不同激光强度下测量得到的光电子能谱确定每个测量得到的光电子的相关激光相位，利用光电子能谱变换方程解析性的解谱技术，重建脉冲的形状和具体的时间结构，包括脉冲的强度和啁啾时间分布。本发明的方法不需要大量的光电子能谱的时间分辨测量，也不需要冗长的迭代计算和实验数据拟合过程，能从两个测量得到的光电子能谱重建出阿秒X-射线脉冲的时域特性。本发明的测量结果作为参考数据用于研究、分析、评估、优化阿秒X-射线脉冲光源的技术参数和性能指标，以及研究、分析超快速反应动力学过程中随时间变化的相关信息。

主权项

1.一种阿秒X-射线脉冲强度和啁啾时间分布的测量方法，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)阿秒X-射线脉冲与线性极化的激光脉冲在时间和空间上进行交叉关联，并会聚；2)阿秒X-射线脉冲和激光脉冲经会聚后，经过氢气或惰性气体，激发氢原子或惰性原子产生光电子；3)阿秒X-射线和激光脉冲共同激发、在t时刻产生、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 )$$+\sqrt{8U_p{W}_0}F\left(t\right)\sin ({\omega }_{L}t+\Phi )---\left(1\right)$其中，W₀＝ω_X-I_p为光电子的初动能，而ω_X和I_p分别为X-射线脉冲光子能量和气体原子或分子的电离能，为光电子的质动能；I为激光峰值功率密度即激光强度，ω_L为激光角频率，Φ为激光脉冲载波-包络相位，F(t)为幅度为1的高斯形激光电场包络函数；4)在两种不同的激光强度低强度I_L和高强度I_H下，用探测器测量平行于激光线性极化方向θ＝0°出射的光电子，分别得到在低强度I_L和高强度I_H下的归一化的光电子能谱n_L(W)和n_H(W)，由阿秒X-射线脉冲和激光脉冲共同激发、在t时刻产生、θ＝0°方向上飞出的光电子的，在激光强度I_L和I_H下，能量分别为W^L和W^H满足如下积分方程：$\underset{t_s}{\overset{t}{\int }}f\left(t_1\right){\mathrm{dt}}_1=\mu \underset{W_{\min }^L}{\overset{W^L}{\int }}n\left(W_1\right){\mathrm{dW}}_1---\left(2\right)$$\underset{t_s}{\overset{t}{\int }}f\left(t_2\right){\mathrm{dt}}_2=\mu \underset{W_{\min }^H}{\overset{W^H}{\int }}n\left(W_2\right){\mathrm{dW}}_2---\left(3\right)$其中f(t)表示待测量的阿秒X-射线脉冲的强度时间分布，t以及W^L和W^H分别为光电子产生时刻以及它在能谱上的能量位置，t_s以及和分别表示脉冲时间起点以及光电子能谱n_L(W)和n_H(W)的低能端位置，μ为常数设置为1；5)从式(2)、式(3)及式(1)推导出，在两种不同的激光强度I_L和I_H，对应质动能分别为和下，测量得到的归一化的光电子能谱，在具有相同的能量积分值处，对应不同的能谱上的能量位置W^L和W^H，并且用下列方程组计算出f(t)的时间参数t和此时刻的阿秒X-射线脉冲的频率ω(t)：$\left\{\begin{array}{c}F\left(t\right)\sin ({\omega }_{L}t+\Phi )=\frac{\sqrt{W^H}-\sqrt{W^L}}{\sqrt{2U_p^H}-\sqrt{2U_p^L}}\\ \omega \left(t\right)=[\sqrt{W^H}-\sqrt{2U_p^H}\frac{\sqrt{W^H}-\sqrt{W^L}}{\sqrt{2U_p^H-\sqrt{2U_p^L}}}]+I_p\end{array}\right.---\left(4\right)$对于一个时间宽度小于半个激光周期、时间上定位在t＝0时刻附近的阿秒X-射线脉冲，式(4)中因子F(t)≈1，式(4)即为光电子激光相位及阿秒X-射线脉冲的啁啾时间分布的计算公式；6)阿秒X-射线脉冲的强度随时间分布函数f(t)用下式计算：$f\left(t\right)=\mu \frac{\mathrm{dW}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}n\left(W\right)---\left(5\right)$其中，n(W)为激光强度I_L或I_H下测量得到的归一化的光电子能谱n_L(W)或n_H(W)，导数项dW(t)/dt是用式(1)和对应的激光强度I_L或I_H计算得到，系数μ取值为1，对计算得到的f(t)分布，经过幅度归一化处理，就得到了阿秒X-射线脉冲波形。