[发明专利]基于飞秒真空紫外激光脉冲的液体束光电子影像装置

说明书

本发明公开了基于飞秒真空紫外激光脉冲的液体束光电子影像装置，包括飞秒泵浦‑探测光路系统，四波混频产生及传输系统，真空维持系统，液体束进样系统，以及光电子收集与影像探测系统。本发明将真空紫外激光脉冲与OPA输出激光(紫外至红外波段)结合起来实现时间分辨测量功能，既可实现真空紫外激光作为泵浦光，也可以实现真空紫外激光作为探测光功能。

技术领域

本发明涉及真空紫外激光脉冲的产生以及时间分辨的溶液中光电子的成像技术领域，具体涉及基于飞秒真空紫外激光脉冲的液体束光电子影像装置。

背景技术

时间分辨的功能是通过泵浦-探测技术实现的，即先利用一束激光将分子激发，再利用另一束光将处于激发的分子电离，通过精密控制两束光的光程差可以实现时间分辨的测量功能，将时间分辨与光电子影像技术结合就发展出时间分辨的光电子影像装置，该装置广泛应用于研究分子的超快动力学，通过该装置能获得时间分辨的电子/离子的动能分布和角度分布信息，进而实时表征出分子的结构变化与分子化学反应的全过程。目前，时间分辨的光电子影像装置已经成熟应用于气相样品分子的研究，称为时间分辨的气相光电子影像装置，但是气相光电子影像装置不能研究溶液中溶剂分子对溶质分子的影响，然而，对于生命科学而言，其组织和细胞通常处于溶液环境中，生理化学反应也发生于溶液环境之中，因此，从微观层面来说生物分子发生生理化学反应必然受到外部溶液环境的影响。但是如何在溶液环境中直接测量电子/离子的动能分布和角度分布信息，进而在溶液环境中更加真实地实时表征出分子的结构变化与分子化学反应的全过程，对科学家们来说一直是一个挑战。直到近年来，研究者们才发展了一种基于液体束进样技术的液体束光电子影像能谱装置(授权专利号ZL 201911172966.2)，该技术是利用高压输液泵将液体注入真空腔中，在距离喷嘴出口2-3mm内形成流速稳定的束流，我们称之为透明区，光与该区域作用时会将分子电离产生电子，电子在成像透镜的作用下飞向探测器进行成像，从而能获得溶液环境下电子的动能信息与角度分布信息。尽管取得了技术进展，但是该液体束光电子影像能谱装置并不能进行时间分辨的测量，因而不能实时地观测溶液环境中分子的结构变化与分子化学反应的全过程。

此外，在实际的过程中，由于分子电离势较高，处于可见至红外波段范围的光无法直接用单光子将其电离，需要经过多光子的过程，与单光子电离相比，多光子不仅电离效率低，而且由于中间态的存在，会导致电离后的成分比较复杂，有时难以归属。另外，如果分子激发态沿着势能面上的反应路径运动到较低的势能面时，哪怕是利用紫外光子做电离光，其单光子能量也不足以将处于较低势能面处的分子电离，这样就观测不到反应过程中部分甚至大部分的超快路径过程。这种情况经常发生在光致解离和光致异构化等光化学反应过程中。为了解决上述面临的问题，进而实现对整个光化学反应超快过程的跟踪，需要将处于真空紫外波段的激光脉冲引入其中用于单光子的直接电离，特别在许多溶液环境中，由于分子的束缚能较高，将真空紫外激光脉冲引入其中是十分必要的。此外，将真空紫外激光脉冲作为泵浦光，还可以开展高激发态原子分子的超快动力学研究。大多数的原子具有高的电离能，其激发态的制备需要高能光子；而大多数分子的电子激发态(里德堡、高价态和超激发态)也远高于紫外至红外波段的单光子能量，很多自然界中重要的光化学反应也发生在这一波段。例如，水分子的第一激发态是一个排斥态，位于真空紫外波段(165nm)，其寿命预测小于20fs，与水分子相关的超快真空紫外光谱学的研究由于缺乏有效的实验技术至今仍是一个挑战。