利用激光冷却提高原子分子反应动量成像分辨率的方法

摘要

本发明提供一种利用激光冷却提高原子分子反应动量成像分辨率的方法，包括：进样系统、磁光阱系统及收集和探测系统，其中，所述进样系统位于所述磁光阱系统一侧，用于将目标元素初步冷却后导入到所述磁光阱系统中；所述磁光阱系统用于冷却和束缚所述目标元素；所述收集和探测系统用于收集和探测所述磁光阱系统冷却的所述目标元素与入射光相互作用产生的电子和离子。本发明可以将目标元素冷却到微开氏温度量级，相较于现有技术，可以将重质量元素的动态探测分辨率提升10倍以上。

说明书

技术领域

本发明属于中性冷却原子产生和探测技术领域，特别是涉及一种利用激光冷却提高原子分子反应动量成像分辨率的方法。

背景技术

近几年，超强超快激光以及新一代同步辐射光源新技术得到前所未有的发展。阿秒高次谐波、第三代同步辐射（上海先进光源）和自由电子激光（第四代同步辐射）引发极端强场超快激光新技术革命，其与物质相互作用的新物理与新效应、超快电子、原子、分子反应动力学的量子相干控制、极端条件下的精密测量与调控等关键科学问题在原子分子量子信息、凝聚态、半导体材料、空间、生物医学、能源、环境等领域有着重要应用，同时也是人类进一步认知材料科学、生命科学和信息科学的基石。

要实现原子分子中量子态演化的精密操纵和调控，需要对分子、原子和电子进行具有超高空间和动量分辨率的多体符合成像技术。其中的符合探测，是指电子和反冲离子来自同一个原子。

目前，多体符合成像技术日益成熟，与泵浦探测技术相结合，在强场非线性光学、阿秒高次谐波产生、电子原子分子量子态演化的激光相干控制等领域，已经完成一大批举世瞩目的、创造性的基础研究工作。尤其是阿秒脉冲和几飞秒X-ray 激光脉冲的诞生，实现对电子原子分子超快运动的操纵以及在原子分子尺度上（埃的数量级）对单分子成像。电子原子分子运动的操纵和单分子成像都需要在动量空间上精密分辨原子分子的本征量子态。

目前，多体符合成像类实验一般使用的是超音速气体靶，这种差分准直的气体样品（原子分子）虽然能一定程度地降低气体的温度，但是气态原子分子的热运动仍然存在，尤其是重质量元素，大大降低了原子分子成像实验的能量（动量）分辨率，造成量子态在能量表象（动量分布）很难分辨，模糊了内在物理图像。多体动力学中电子-电子关联诱发的高激发态量子混沌、双电子电离关联纠缠，阿秒高次谐波产生内在物理机制等其他原子分子物理前沿科学问题也受限于当前分辨率而无法彻底解决。而且，反冲离子的研究只能局限在常温下为气相的元素。

金属原子在光频标与原子钟等冷原子领域有着重要的应用，也是未来量子信息和量子计算的重要媒介。随着高增益自由电子激光、强飞秒红外、高次谐波阿秒激光等新激光技术的出现，在强激光特殊环境下金属及稀土元素表现出和惰性元素不同的奇异量子特性。但金属元素常温下多为固态，要想研究强场中气相金属原子内在的物理过程，首先必须先把固态原子气化，加热到几百摄氏度，形成原子蒸气，对应原子热运动动量几十原子单位，远远高于强场电离带给离子的自身动量（一般小于几个原子单位）。这样的金属原子靶自身热运动太大，只能测量速度快的光电子，无法采集离子的动量谱，也就无法进行电子和离子的符合探测，不能准确标定哪些电子来自双电离，无法准确全面研究双电子电离关联等物理过程。因此需要将金属原子气体冷却以实现高分辨动量成像探测。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种利用激光冷却提高原子分子反应动量成像分辨率的方法，用于解决现有技术中采用超音速气体靶无法对金属原子气进行高分辨动量成像探测的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种利用激光冷却提高原子分子反应动量成像分辨率的系统，所述利用激光冷却提高原子分子反应动量成像分辨率的系统包括：进样系统、磁光阱系统及收集和探测系统，其中，

所述进样系统位于所述磁光阱系统一侧，用于将目标元素初步冷却后导入到所述磁光阱系统中；

所述磁光阱系统用于冷却和束缚所述目标元素；

所述收集和探测系统用于收集和探测所述磁光阱系统冷却的所述目标元素与入射光相互作用产生的电子和离子；所述收集和探测系统包括若干个加压装置、若干个电极片、亥姆霍兹线圈及探测器；其中，

所述加压装置与所述电极片一一对应连接，用于分别向不同的所述电极片施加不同的电压；

若干个所述电极片之间平行间隔排布于被冷却束缚的所述目标元素外侧，用于在不同的电压下产生非均匀牵引电场，以将所述磁光阱系统冷却的所述目标元素与入射光相互作用产生的电子和离子分别引至不同的所述探测器；

所述探测器位于若干个所述电极片之间平行间隔排布而成结构的两端，且与所述电极片具有间距；所述探测器用于探测所述电子或离子的位置和飞行时间，以重建所述目标元素与入射光相互作用的动力学过程；

所述亥姆霍兹线圈位于所述探测器的外围，用于防止所述电子和离子的横向运动过大而超出所述探测器的探测范围。

优选地，所述进样系统包括二维磁光阱或塞曼减速器。

优选地，所述磁光阱系统包括：

激光场，用于对导入到所述磁光阱系统中的所述目标元素进行冷却；

线圈组，位于所述激光场相对的两侧，用于产生梯度磁场。

优选地，所述激光场包括三对激光束，其中，两对所述激光束位于同一平面内，该两对所述激光束所在平面与另外一对所述激光束相垂直；所述线圈组包括一对线圈组，所述线圈组分别位于两对所述激光束所在平面相对的两侧。

优选地，所述探测器包括电阻阳极探测器或延迟线阳极探测器。

本发明还提供一种利用激光冷却提高原子分子反应动量成像分辨率的方法，所述利用激光冷却提高原子分子反应动量成像分辨率的方法包括如下步骤：

1）将目标元素初步冷却后导入至磁光阱系统内；

2）使用所述磁光阱系统对所述目标元素进行冷却束缚；

3）使用入射光与冷却后的所述目标元素进行相互作用以产生电子和离子；

4）在非均匀牵引电场的作用下将所述电子和离子引至不同的探测器以记录所述电子或离子的位置和飞行时间，并依据所述电子或离子的位置和飞行时间重建所述目标元素与入射光相互作用的动力学过程。

优选地，步骤2）中，所述目标元素被冷却至微开氏温度量级。

优选地，步骤3）中，所述入射光包括太赫兹激光、高次谐波激光、同步辐射激光或自由电子激光。

如上所述，本发明的利用激光冷却提高原子分子反应动量成像分辨率的方法，具有以下有益效果：

本发明通过激光冷却进样方法可以把反应显微成像技术推广到金属元素的研究；

本发明可以将目标元素冷却到微开氏温度量级，相较于现有技术，可以将重质量元素的动态探测分辨率提升10倍以上；

本发明如果进样系统选择二维磁光阱，那么提供的目标元素为二维冷靶原子束，经过磁光阱系统冷却后会得到三维冷靶原子团，二者具有不同密度、不同温度及不同的初始态等特点，结合多种入射光开展精密测量，可以研究各种单原子或单分子的物理过程，譬如，空间电荷动力学、里德堡原子长程关联与纠缠、 Efimov 物理现象以及冷等离子强关联等，以及极低能电子，阿秒高次谐波，阈上电离，电子隧穿电离，以及顺序非顺序双电子电离关联，里德堡物理以及阿秒量子模拟等强场物理过程；

本发明可以实现电子和离子符合成像测量，符合成像探测能够更清楚地区分不同的反应过程，精确揭示原子和分子中电子态在位置空间和能量空间的关联演化，尤其适合双电子和反冲离子符合探测，符合探测给出的信息量丰富、准确，是探测电子/电子、电子/离子、离子/离子关联的重要手段；

本发明可以制备中性冷离子体靶，可以研究强场等离子体演化及冷原子量子光学等物理过程。

附图说明

图1及图2显示为本发明实施例一中提供的利用激光冷却提高原子分子反应动量成像分辨率的系统截面立体结构示意图。

图3显示为本发明提供实施例二中的利用激光冷却提高原子分子反应动量成像分辨率的方法的流程图。

元件标号说明

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

实施例一

本发明还提供一种利用激光冷却提高原子分子反应动量成像分辨率的系统，所述利用激光冷却提高原子分子反应动量成像分辨率的系统包括进样系统1、磁光阱系统2及收集和探测系统3，其中，所述进样系统1位于所述磁光阱系统2一侧，用于将目标元素4初步冷却后导入到所述磁光阱系统2中；所述磁光阱系统2用于冷却和束缚所述目标元素4；所述收集和探测系统3用于收集和探测所述磁光阱系统3冷却的所述目标元素4与入射光5相互作用产生的电子和离子；所述收集和探测系统包括若干个加压装置（未示出）、若干个电极片31、亥姆霍兹线圈32及探测器33；其中，所述加压装置与所述电极片31一一对应连接，用于分别向不同的所述电极片31施加不同的电压；若干个所述电极片31之间平行间隔排布于被冷却束缚的所述目标元素4外侧，用于在不同的电压下产生非均匀牵引电场，以将所述磁光阱系统2冷却的所述目标元素4与入射光相互作用产生的电子和离子分别引至不同的所述探测器33；所述探测器33位于若干个所述电极片31之间平行间隔排布而成结构的两端，且与所述电极片31具有间距；所述探测器33用于探测所述电子或离子的位置和飞行时间，以重建所述目标元素4与入射光相互作用的动力学过程；所述亥姆霍兹线圈32位于所述探测器33的外围，用于防止所述电子和离子的横向运动过大而超出所述探测器33的探测范围。

作为示例，所述进样系统1可以为二维磁光阱，也可以为塞曼减速器。所述二维磁光阱及所述塞曼减速器的具体结构为本领域技术人员所知晓，此处不再累述。所述目标元素4在所述进样系统1中初步预冷却后利用失谐激光推送，通过差分管道进入所述磁光阱系统2中。

作为示例，所述目标元素4可以为但不仅限于原子或分子。

作为示例，所述磁光阱系统2包括激光场21及线圈组22，其中，所述激光场21用于对导入到所述磁光阱系统2中的所述目标元素4进行冷却，并将冷却后的所述目标元素4束缚在所述磁光阱系统2中，所述线圈组22位于所述激光场21相对的两侧，用于产生梯度磁场。

作为示例，所述激光场21可以包括若干对激光束211，各对所述激光束211之间相互垂直。所述激光束211的对数可以根据实际需要进行设定；优选地，如图1及图2所示，本实施例中，所述激光场21包括三对所述激光束211，其中，两对所述激光束211位于同一平面内，该两对所述激光束211所在平面与另外一对所述激光束211相垂直。所述激光束211的中心波长、失谐量及功率的大小等可以根据实际需要进行确定。

作为示例，所述线圈组22的对数可以根据实际需要进行设定，优选地，本实施例中所述线圈组22的数量为一对，所述线圈组22分别位于两对所述激光束211所在平面相对的两侧；当然，在其他示例中，所述线圈组22也可以位于任意一对所述激光束211相对的外侧。所述线圈组22的直径、匝数、线圈之间的间距及通过的电流的大小可以根据实际需要进行设定。采用不同的所述线圈组22及所述激光场21相搭配，在对所述目标元素4进行冷却时，可以得到不同原子数密度、不同温度及不同速度的原子云或分子云。

作为示例，若干个所述电极片31优选为如图1及图2所示的上下之间平行间隔排布，所述电极片31的片数可以根据实际需要进行设置，此处不做限定；所述电极片31产生的所述牵引电场可以为均匀电场，也可以为特定分布方式的电场；所述探测器33位于若干个所述电极片31之间平行间隔排布而成结构的两端，且与所述电极片31具有间距；所述探测器33用于探测所述电子或离子的位置和飞行时间，以重建所述目标元素4与入射光5相互作用的动力学过程；所述亥姆霍兹线圈32位于所述探测器33的外围，所述亥姆霍兹线圈32用于防止所述电子和离子的横向运动过大而超出所述探测器33的探测范围。

作为示例，所述探测器33可以为但不仅限于电阻阳极探测器或延迟线阳极探测器。

作为示例，所述入射光5包括太赫兹激光、高次谐波激光、同步辐射激光或自由电子激光。

下面以一个具体示例对于本发明所述的利用激光冷却提高原子分子反应动量成像分辨率的系统的工作原理进行说明：该示例中，以二维磁光阱作为所述进样系统1，以铷原子作为所述目标元素4，以飞秒激光为所述入射光，以微通道板延迟线阳极探测器作为所述探测器33；所述铷原子在所述进样系统1预冷却后进入所述磁光阱系统2进一步冷却；被冷却的所述铷原子与所述飞秒激光相互作用产生离子，通过所有所述电极片31产生的非均匀电场将产生的所述离子引向一端的所述探测器33，所述探测器33可以记录所述离子的位置和飞行时间，通过所述离子的位置和飞行时间可以重建铷原子与所述飞秒激光相互作用的动力学过程。其中，在所述磁光阱系统2中，铷的冷原子云温度能够达到100微开氏温度，成像的动态分辨率可达到0.15原子单位，与氙原子相比，温度低至少两个数量级，成像的动态分辨率可以提升一个数量级，可以用于精细研究硬X-ray射线内壳层原子敷设损伤以及在高离子态存在的量子电动力学（QED）效应。

实施例二

请结合图1及图2参阅图3，本发明提供一种利用激光冷却提高原子分子反应动量成像分辨率的方法，所述利用激光冷却提高原子分子反应动量成像分辨率的方法可以基于但不仅限于实施例一中所述的利用激光冷却提高原子分子反应动量成像分辨率的系统而实现，所述利用激光冷却提高原子分子反应动量成像分辨率的系统的具体结构请参阅实施例一，此处不再累述，所述利用激光冷却提高原子分子反应动量成像分辨率的方法包括如下步骤：

1）将目标元素初步冷却后导入至磁光阱系统内；

2）使用所述磁光阱系统对所述目标元素进行冷却束缚；

3）使用入射光与冷却后的所述目标元素进行相互作用以产生电子和离子；

4）在非均匀牵引电场的作用下将所述电子和离子引至不同的探测器以记录所述电子或离子的位置和飞行时间，并依据所述电子或离子的位置和飞行时间重建所述目标元素与入射光相互作用的动力学过程。

在步骤1）中，请参阅图3中的S1步骤及图1至图2，将目标元素4初步冷却后导入至磁光阱系统内。

作为示例，将所述目标元素4经由所述进样系统1初步冷却后利用失谐激光推送，通过差分管道导入至所述磁光阱系统2内。

作为示例，所述目标元素4可以为但不仅限于原子或分子。

在步骤2）中，请参阅图3中的S2步骤及图1至图2，使用所述磁光阱系统2对所述目标元素4进行冷却束缚。

作为示例，该步骤中，所述目标元素4被所述磁光阱系统2冷却至微开氏温度量级。此处所述的微开氏温度是1/1000000开氏温度。

在步骤3）中，请参阅图3中的S3步骤及图1至图2，使用入射光5与冷却后的所述目标元素4进行相互作用以产生电子和离子。

作为示例，所述入射光5包括太赫兹激光、高次谐波激光、同步辐射激光或自由电子激光。

在步骤4）中，请参阅图3中的S4步骤及图1至图2，在非均匀牵引电场的作用下将所述电子和离子引至不同的所述探测器33以记录所述电子或离子的位置和飞行时间，并依据所述电子或离子的位置和飞行时间重建所述目标元素4与入射光5相互作用的动力学过程。

作为示例，通过所有所述电极片31产生的非均匀牵引电场将所述电子和离子引至不同的所述探测器33。

综上所述，本发明提供一种利用激光冷却提高原子分子反应动量成像分辨率的方法，所述利用激光冷却提高原子分子反应动量成像分辨率的系统包括：进样系统、磁光阱系统及收集和探测系统，其中，所述进样系统位于所述磁光阱系统一侧，用于将目标元素初步冷却后导入到所述磁光阱系统中；所述磁光阱系统用于冷却和束缚所述目标元素；所述收集和探测系统用于收集和探测所述磁光阱系统冷却的所述目标元素与入射光相互作用产生的电子和离子；所述收集和探测系统包括若干个加压装置、若干个电极片、亥姆霍兹线圈及探测器；其中，所述加压装置与所述电极片一一对应连接，用于分别向不同的所述电极片施加不同的电压；若干个所述电极片之间平行间隔排布于被冷却束缚的所述目标元素外侧，用于在不同的电压下产生非均匀牵引电场，以将所述磁光阱系统冷却的所述目标元素与入射光相互作用产生的电子和离子分别引至不同的所述探测器；所述探测器位于若干个所述电极片之间平行间隔排布而成结构的两端，且与所述电极片具有间距；所述探测器用于探测所述电子或离子的位置和飞行时间，以重建所述目标元素与入射光相互作用的动力学过程；所述亥姆霍兹线圈位于所述探测器的外围，用于防止所述电子和离子的横向运动过大而超出所述探测器的探测范围。本发明通过激光冷却进样方法可以把反应显微成像技术推广到金属元素的研究；本发明可以将目标元素冷却到微开氏温度量级，相较于现有技术，可以将重质量元素的动态探测分辨率提升10倍以上；本发明的进样系统提供的目标元素为二维冷靶原子束，经过磁光阱系统冷却后会得到三维冷靶原子团，二者具有不同密度、不同温度及不同的初始态等特点，结合多种入射光开展精密测量，可以研究各种单原子或单分子的物理过程，譬如，空间电荷动力学、里德堡原子长程关联与纠缠、 Efimov 物理现象以及冷等离子强关联等，以及极低能电子，阿秒高次谐波，阈上电离，电子隧穿电离，以及顺序非顺序双电子电离关联，里德堡物理以及阿秒量子模拟等强场物理过程；本发明可以实现电子和离子符合成像测量，符合成像探测能够更清楚地区分不同的反应过程，精确揭示原子和分子中电子态在位置空间和能量空间的关联演化，尤其适合双电子和反冲离子符合探测，符合探测给出的信息量丰富、准确，是探测电子/电子、电子/离子、离子/离子关联的重要手段；本发明可以制备中性冷离子体靶，可以研究强场等离子体演化及冷原子量子光学等物理过程。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。