超快电子衍射研究分子动力学

随着超快激光、超快X射线和超快电子束技术在近年的快速发展,通过泵浦探测的方法在超快的尺度观察原子运动正逐步成为可能. 本综述将讨论如何利用超快电子衍射技术探测激光激发的分子动力学过程. 此技术以电子束为探针,能以飞秒量级的时间分辨率和埃量级的空间分辨率追踪激光触发的原子运动. 阐述超快电子衍射技术的基本原理和最新进展,同时介绍其在研究分子动力学方面的代表性工作. 这项“桌面级”的技术和X射线自由电子激光大科学装置互补,预期将在化学反应动力学领域发挥重要作用.     

超快X射线自由电子激光研究进展北大核心CSCD

现代光源的发展不断推动着人们从更深层次上理解物质的基本结构和动力学行为。X射线自由电子激光作为最先进的光源,其超高的峰值功率、超短的脉冲长度和优良的相干性,为人们以原子级时空分辨率探测和操控物质中的超快过程提供了可能。目前全世界已有多个X射线自由电子激光装置建成并投入使用,在原子分子物理、化学、生命科学、材料科学等各学科应用中都显示出了重要价值。同时大量的研究工作也集中于继续提高X射线自由电子激光的性能,包括把脉冲持续时间从fs量级进一步缩短至as量级,这将为超快科学的发展带来新突破。以超快脉冲产生为主线,综述了近年来超快X射线自由电子激光产生方案的研究进展,从产生原理、方案特性、最新成果等方面介绍了各类产生方案,总结对比了各方案的优缺点,最后对超快X射线自由电子激光的未来发展方向进行了展望。     

超快电子衍射技术及其应用

时间和空间上实时观测原子运动对于自然科学研究有着非常重大的意义, 而超快电子衍射(UED)技术同时具备飞秒激光脉冲的高时间分辨特性和电子衍射技术的高空间特性, 可以为实时观测原子级分辨尺度物质的结构变化提供一种有效工具. 本文综述了超快电子衍射技术的发展历史、实验方法以及相关应用, 并且展望了超快电子衍射技术未来的发展.     

产生超快水窗波段X射线的ESASE方案模拟

脉冲宽度在百as（1 as=10?18 s）量级的X射线脉冲在超快科学领域有极为重要的作用。相较于目前世界上大部分运行在自发放大辐射模式的X射线自由电子激光（FEL）,增强型自发放大辐射（ESASE）模式可以显著增加电子束的峰值流强,减小FEL的增益长度,可用来产生百as量级的超快X射线。基于典型的软X射线FEL参数,对ESASE方案的参数进行了模拟优化,得到了百as量级、功率可达1 GW以上、波长可在水窗波段且可调节的X射线脉冲,为后续开展ESASE实验及其实验参数的优化提供参考。     

X射线激光研究的进展

 一、大放异彩的X射线激光 自从1960年第一台激光器问世以来,科学家们一直在寻求能工作在X射线波段的激光器。根据现有的认识,X射线激光具有X射线源所没有的许多特点: 1.亮度（光子/脉冲/立体角）比同步辐射高,6个量级,比激光等离子体X射线源高4个量级。 2.单色性优于所有X射线源。 3.相干性可以用来产生原子尺度的全息图象。 4.高时间分辨率(10^-12s),可以用来观察1ps(10^-12s)内的原子距离的运动,可用于击波阵面运动的观测,位错运动的衍射实验。 5.用它来进行光刻,线宽可达20nm(10^-9m)。 6.用它的干涉效应,可以制成大面积的线宽和间隔小于100nm的光栅。     

双色场控制与测量原子分子超快电子动力学过程的研究进展

超短超快激光脉冲的出现为人们探索原子分子中超快电子动力学过程提供了强有力的工具.阿秒脉冲和强激光脉冲电场整形技术能够获得电子波包在亚飞秒时间尺度的动力学信息,发展出了一系列阿秒超快光谱学技术,如阿秒条纹相机、阿秒瞬态吸收谱等,成功地应用于原子、分子和固体中电子运动的探测.其中双色激光场就是通过电场整形技术实现电子相干运动控制和探测的一种重要手段,本文综述了中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室近几年来在双色场控制与测量原子分子超快过程方面的研究工作.     

激光与相对论电子束相互作用中阿秒X射线脉冲的产生

本文对激光与相对论电子束相互作用产生的阿秒X射线脉冲进行了研究.阿秒X射线脉冲是由于激光被相对论运动的电子束经过汤姆孙后向散射产生的.讨论了等离子体参数对产生的阿秒X射线的影响.发现其波长随着入射激光的频率的增加或电子束的速度增加而减小.选择合适的参数还可以获得"水窗"波段的X射线.还讨论了相对论电子束的密度与其前沿的密度梯度的大小对所产生X射线的转化效率的影响. 关键词： 阿秒X射线脉冲 汤姆孙后向散射 超强激光 相对论电子束     

X射线自由电子激光在物理学中的应用

在原子/分子空间尺度直接探测微观世界的飞秒量级动态复杂过程一直是科学家追求的梦想。2009年,X射线自由电子激光装置的出现使得这个梦想成为可能。文章将介绍近年来利用X射线自由电子激光装置在凝聚态物理、非线性光学、高压物理等研究领域取得的一些突破性进展,并展望其未来在解决重大物理问题中的可能应用。     

高相干超快电子源研究进展

以原子级时空分辨监测物质的动力学行为并从最根本层面理解自然界中的微观基本过程一直是飞秒物理、飞秒化学以及飞秒生物学研究的目标.时间分辨电子衍射巧妙地结合了抽运-探测技术和电子衍射技术,可实现直接"观察"和"冻结"类似的超快过程.然而,目前常用的超快电子探针的横向相干性仍受到电子源的初始尺寸、有效温度、能量弥散以及电子间固有库仑排斥的限制,还很难分辨化学和生物相关的复杂有机分子.近年来大量研究工作都集中在发展高相干的超短电子源,其不仅对时间分辨电子衍射研究起到推动作用,也将极大地促进超快电子显微镜、相干衍射成像以及叠层成像等的发展.本综述以相干性为主线,介绍了几种常用平面阴极光电发射源的研究进展,并从产生机理、独有特性和实验成果方面讨论了尖端发射源和冷原子电子源这两类新型的高相干超快电子源,最后对衍射技术的相干性发展和未来应用进行了展望.     

X射线激光器捕捉到蛋白质分子的超快动态

近日,美国威斯康星大学密尔沃基分校的生物物理学家、能源部下属SLAC国家加速器实验室部门负责人Marius Schmidt率领的国际研究团队,用X射线激光器以慢动作的形式展示了一个光敏性生物分子的快速动态。"人们能够在这一技术的基础上,以原子水平的空间分辨率和超快时间分辨率制作纳米世界的电影,"Schmidt说道。研究人员将PYP光敏黄蛋白(photoactive yellow protein)作为模式系统。PYP是一种蓝光     

超快电子枪发射系统的优化设计

改进了超快电子衍射系统发射部分的数值计算模型和处理方法,使得计算结果更加接近于实际发射情形.研究了阴极表面面型对超快电子衍射系统时间分辨率的影响,提出了改进超快电子衍射系统时间分辨率的一个思路,该思路对于超快电子枪的设计及提高系统时间分辨率具有一定的作用.     

阿秒脉冲的发展及其在原子分子超快动力学中的应用

在过去20年里,激光技术的发展使阿秒科学成为一个新的研究领域,可为量子少体超快演化过程的研究提供新视角.当前实验室中制备的阿秒脉冲以孤立脉冲或脉冲串的形式被广泛应用于实验研究中,其超快变化的光场允许人们操控和跟踪电子在原子尺度的运动,实现对亚飞秒时间尺度电子动力学的实时追踪.本综述聚焦于阿秒科学的重要组成部分,即原子分子超快动力学研究的进展.首先介绍阿秒脉冲的产生和发展,主要包括高次谐波原理和孤立阿秒脉冲分离方法;然后系统地介绍阿秒脉冲在原子分子超快动力学研究中的应用,包括光电离时间延迟、阿秒电荷迁移和非绝热分子动力学等方面;最后对阿秒脉冲在原子分子超快动力学研究中的应用进行总结和展望.     

压缩超快摄影捕获光脉冲在光刻胶中的运动北大核心CSCD

在超快时间尺度上以二维空间分辨率揭示激光脉冲在光刻胶之间的运动过程,将有助于了解激光加工过程和优化加工工艺。然而现有记录激光脉冲在光刻胶中运动过程的成像技术都存在需要多次重复拍摄或时间分辨率受限等问题。为了克服这些问题,通过使用压缩超快摄影来观测光刻胶中激光脉冲的运动。实验结果表明,搭建的实验系统能以1.54×10^(11)fps的帧率,单次成像数百帧的图像序列深度,实时观测到这一不可重复的超快事件。     

软X射线皮秒变象管扫描相机

在激光核聚变的研究中,在加热压缩靶球发生内爆时所产生的高温高密度等离子体的光谱辐射主要为软X射线,对这些软X射线的研究可以获得有关等离子体的电子温度、电子能量分布、各种不稳定的形态及这些参量随时间变化的信息。然而,产生X射线的过程是皮秒量级,受激光脉冲照射的靶球直径仅100微米,所以,需要有皮秒量级时间分辨及微米量级空间分辨的X射线诊断手段。软X射线皮秒变象管扫描相机就是应此需求而研制的。它是X射线波段时间分辨率最高的探测分析仪器,且具有高的空间分辨能力。把这种相机与X射线谱仪结合,构成照相记录的瞬时X射线谱仪;与X射线针孔成象系统相配合可测定空间分辨一维图象随时间变化的情况。     

清华汤姆逊散射X射线源初步实验研究

汤姆逊散射X射线源利用高亮度的相对论电子束与超短TW级激光相互作用,能产生能量可调、脉冲长度短（～100飞秒量级）的准单色高能X射线,在超快物理过程研究和医学领域具有广泛的应用前景。清华大学工程物理系加速器实验室正在积极筹建基于光阴极微波电子枪和飞秒强激光的汤姆逊散射实验平台,并利用实验室现有的16MeV返波行波加速器和Nd:YAG纳秒调Q激光系统进行了初步实验研究。在解决实验中出现的电磁干扰和韧致辐射X射线本底干扰等问题后,在实验中测量到了脉宽为6纳秒、脉冲光子产额为1.7x 10^4 的散射光子信号。在本文中将对实验装置和结果进行详细介绍。     

高重频硬X射线自由电子激光脉冲到达时间诊断方法研究

X射线自由电子激光(XFEL)脉冲时间诊断技术常用于实验站附近XFEL脉冲和配套激光的相对到达时间探测,是飞秒级XFEL泵浦探测实验的重要辅助技术,为XFEL和激光泵浦探测实验中两种脉冲对准提供参考信号.随着XFEL向高重频、短脉冲发展,对时间诊断中的诊断频率、泵浦样品和分辨率提出了更高的要求.该技术通过泵浦探测和光学互相关实现,当XFEL脉冲入射高带宽半导体样品瞬间,导致样品复折射率突变,使XFEL到达时间编码于突变空间.本文基于空间编码和光谱编码两种方法,研发设计了XFEL单脉冲到达时间诊断装置;并通过Beer’s吸收理论和原子散射理论对X射线与样品作用过程进行模拟,研究了该过程中X射线吸收与折射率突变的响应程度,完善了样品的分析选择模型;对光谱编码中的啁啾脉冲调制进行分析,得到色散介质和脉冲本征参数对诊断分辨率的影响.该研究对XFEL脉冲到达时间诊断装置的应用具有指导意义.     

飞秒激光驱动X射线源中超热电子与靶相互作用研究

飞秒激光与靶相互作用产生超热电子,随后超热电子与靶原子碰撞,通过kα、kβ等散射过程,可辐射高亮度、飞秒级X射线,在原子与分子物理、生物及医学等领域均有广泛的应用前景.论文首先对飞秒激光驱动X射线源的发展进行简要叙述,然后对X射线源中的超热电子与靶相互作用进行研究.超热电子的产生由靶材对光脉冲的非碰撞吸收机制决定,X射线的产生由超热电子决定.研究超热电子、靶参数对X射线产额的影响,确定最佳参数值,可指导驱动激光脉冲参数的选择,以获得更大的X射线光子产额.使用蒙特卡洛模拟方法可研究超热电子动能及入射角、靶材(Cu靶)厚度对靶材上、下表面X射线辐射光子产额的影响,分析确定最佳超热电子动能及最佳靶厚.驱动激光强度与超热电子动能的定标关系表明：需要合理选择驱动激光参数,使真空加热机制主导超热电子产生过程,以在合适的激光脉冲强度下获得最大X射线光子产额.     

全光汤姆逊散射X光源数值模拟

 使用蒙特卡罗数值模拟程序研究了不同电子束和激光强度下,尾场电子束与超短脉冲激光发生汤姆逊散射获得的X光子能谱、角分布等,初步探索了180°散射下高质量X射线光源所需要的电子束与激光强度。数值模拟结果显示,为了尽量提高光子产额并抑制非线性效应,激光归一化强度应为1的量级。为了获得方向性和单色性好、亮度高的X射线脉冲,需要较高的电子能量和较小的电子能散,电子束脉冲尽量短,且发散角尽量小。     

X射线自由电子激光在化学与能源材料科学中的应用

在过去的十多年中,X射线自由电子激光器(X-ray Free Electron Laser,XFEL)的成功研制和快速发展,极大地推动了超快X射线光谱学实验技术的发展,并且在物理、化学和生物科学等不同研究领域获得了广泛的应用。通过飞秒激光脉冲对样品的激发,X射线可以在不同时间尺度下,跟踪固态、液态和气态等各种情况下样品的微观结构动力学过程。X射线吸收和发射光谱,衍射和散射是探测激光诱导结构变化的典型工具。文章将介绍近年来飞秒X射线技术的发展,及其在化学与能源材料领域的应用。相信随着上海X射线自由电子激光器的建成,将使得飞秒X射线技术在更多的科学领域发挥作用。     

激光触发弱耦合等离子体电离次序光谱分析方法

激光触发产生弱耦合等离子体在超快时间(10~100fs)内,产生离子的方式和机制一直是人们很难探知和计算的。利用激光电离原子的最基本特性,寻找出产生离子时所有的电离路径,将电离路径中产生X射线的路径标记出来加以研究,再结合弱耦合等离子体环境中原子或离子能级移动的性质,对比和计算相同路径下相同电离结果中存在的不同电离方式,可区分产生相同产物的不同电离次序。这套方法可通过罗列计算并对应所产生的特征X射线光谱来确定10~100fs内离子的产生过程以及产生机制,电离路径及电离次序。为激光与物质相互作用在超短时间(10~100fs)内的物理过程研究提供了一种可探测的技术。