本发明公开了一种同步测量分子转动温度和排列光强度的方法及系统，属于分子转动动力学领域，包括：先后利用相干的排列光和探测光作用于待测气体分子，先诱导待测气体分子出现周期性排列，然后产生高次谐波；测量排列光和探测光之间不同的时间延迟对应的目标谐波信号，并拟合目标谐波信号随时间延迟的变化曲线；分别获得目标谐波信号在1/2转动周期附近出现的局部最大值和局部最小值所对应的时间延迟；分别求解两个时间延迟对应的所有分子转动温度和排列光强度的组合，并绘制于同一坐标系中，得到两个等延迟时间曲线，将曲线交点所对应的分子转动温度和排列光强度作为同步测量结果。本发明能够实现分子转动温度和排列光强度的同步、高精度测量。
1.一种同步测量分子转动温度和排列光强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：(S1)先利用排列光作用于待测气体分子，以诱导待测气体分子出现周期性排列，然后利用探测光作用于所述待测气体分子，以产生高次谐波；
(S2)测量目标阶次的高次谐波信号作为目标谐波信号，从而得到当前所述排列光与所述探测光之间的时间延迟所对应的目标谐波信号；
(S3)针对多个不同的时间延迟，分别执行步骤(S1)～(S2)，从而得到多个时间延迟所对应的目标谐波信号，并由此拟合得到目标谐波信号随时间延迟的变化曲线；
(S4)基于拟合结果获得目标谐波信号在1/2转动周期附近出现的局部最大值和局部最小值所对应的时间延迟，分别记为第一时间延迟和第二时间延迟；
(S5)利用数值方法分别求解所述第一时间延迟和所述第二时间延迟对应的所有分子转动温度和排列光强度的组合，并在同一坐标系中绘制该求解结果，从而分别得到所述第一时间延迟和所述第二时间延迟对应的等延迟时间曲线；
(S6)将两条等延迟时间曲线的交点所对应的分子转动温度和排列光强度分别作为所述待测气体分子的分子转动温度和排列光强度，从而完成分子转动温度和排列光强度的同步测量；
2.如权利要求1所述的同步测量分子转动温度和排列光强度的方法，其特征在于，所述目标阶次为探测光与周期性排列的待测气体分子相互作用产生的高次谐波平台区中的一个阶次。
3.如权利要求1所述的同步测量分子转动温度和排列光强度的方法，其特征在于，所述步骤(S3)中，通过最小二乘法拟合得到目标谐波信号随时间延迟的变化曲线。
4.一种同步测量分子转动温度和排列光强度的系统，其特征在于，包括：泵浦‑探测装置、透镜、气体室、X射线光谱仪以及控制装置；
所述泵浦‑探测装置用于产生相干且时间延迟可调的排列光和探测光，并使得所产生的排列光和探测光先后经同一出射光路出射；
所述透镜、所述气体室和所述X射线光谱仪依次设置于所述泵浦‑探测装置的出射光路上；
所述气体室用于容纳待测气体分子；所述透镜用于先将所述排列光聚焦于所述待测气体分子，以诱导待测气体分子出现周期性排列，然后将所述探测光聚焦于所述待测气体分子，以产生高次谐波；所述X射线光谱仪用于测量目标阶次的高次谐波信号作为目标谐波信号；
所述拟合模块与所述X射线光谱仪相连，用于通过所述X射线光谱仪得到当前所述排列光与所述探测光之间的时间延迟所对应的目标谐波信号；所述控制装置还用于根据多个时间延迟对应的目标谐波信号拟合得到目标谐波信号随时间延迟的变化曲线，并基于拟合结果获得目标谐波信号在1/2转动周期附近出现的局部最大值和局部最小值所对应的时间延迟，分别记为第一时间延迟和第二时间延迟；
所述数值求解模块，用于利用数值方法分别求解所述第一时间延迟和所述第二时间延迟对应的所有分子转动温度和排列光强度的组合，并在同一坐标系中绘制该求解结果，从而分别得到所述第一时间延迟和所述第二时间延迟对应的等延迟时间曲线；所述数值求解模块，还用于将两条等延迟时间曲线的交点所对应的分子转动温度和排列光强度分别作为所述待测气体分子的分子转动温度和排列光强度，从而完成分子转动温度和排列光强度的同步测量。
5.如权利要求4所述的同步测量分子转动温度和排列光强度的系统，其特征在，所述X射线光谱仪包括：紫外平场光栅、微通道板和CCD探测器；
所述紫外平场光栅放置于所述气体室后方并且与高次谐波光束之间存在一个夹角，用于将不同阶次的高次谐波在空间上分离开；
所述微通道板放置于所述紫外平场光栅后方，用于接收各阶次的高次谐波信号；
所述CCD探测器放置于所述微通道板后方，用于收集各阶次的高次谐波信号。
6.如权利要求4所述的同步测量分子转动温度和排列光强度的系统，其特征在于，所述泵浦‑探测装置包括：激光器、第一分束镜、延时线以及第二分束镜；
所述第一分束镜设置于所述激光器的出射光路上，用于将所述激光器产生的激光分束为排列光和探测光；
所述延时线设置于所述探测光的传播光路上，用于调节所述排列光和所述探测光之间的时间延迟；
所述第二分束镜设置于所述排列光和所述探测光的光路交汇处，用于调整所述排列光和所述探测光的传播方向，使得所述排列光和所述探测光先后传播至所述透镜。
7.如权利要求6所述的同步测量分子转动温度和排列光强度的系统，其特征在于，所述泵浦‑探测装置还包括：第一反射镜组和第二反射镜组；
所述第一反射镜组设置于所述排列光的传播光路上，用于调节所述排列光的传播方向；
所述第二反射镜组设置于所述探测光的传播光路上，用于调节所述探测光的传播方向。
8.如权利要求4‑7任一项所述的同步测量分子转动温度和排列光强度的系统，其特征在于，所述目标阶次为探测光与周期性排列的待测气体分子相互作用产生的高次谐波平台区中的一个阶次。
一种同步测量分子转动温度和排列光强度的方法及系统
技术领域
[0001] 本发明属于分子转动动力学领域，更具体地，涉及一种同步测量分子转动温度和排列光强度的方法及系统。
背景技术
[0002] 相干控制的分子转动动力学能很好的连接分子坐标系和实验室坐标系。这一特性催生了许多应用，比如获得分子结构和轨道信息，观察电荷迁移乃至控制化学反应等等。在
实验中，分子转动常与分子振动和电子运动耦合在一起。为了研究分子坐标系中的动力学
问题，深入了解分子在时间和空间上的转动分布是至关重要的。激光诱导分子转动动力学
可以理解为两个步骤：首先，排列光与分子相互作用，通过受激拉曼转换产生分子转动波
包，导致分子在一个狭窄的圆锥区域短暂地排列；第二，创建的分子转动波包在无场条件下
扩散和演化，该过程具有周期性。由于相干布居转动态的相位拍频与时间有关，在分子转动
周期附近会出现分子排列现象。在分子排列中，激光诱导的转动动力学主要由两个因素决
定：一种是分子转动温度，它决定了转动状态的初始热力学分布。第二种是排列光强度，它
决定了激光与分子相互作用后转动态的重新布居。因此，准确地测量分子转动温度和排列
光强度，有着重要的意义。
[0003] K.Yoshii等人报道采用基于高次谐波产生的方法测量分子的转动温度(K.Yoshii,et al.,Opt.Lett.34,1651(2009))。在K.Yoshii等人的工作中，分子转动温度
是在假设了排列光强度等参数的情况下，由测量的时间分辨高次谐波信号的傅里叶光谱，
外加理论拟合得到的。由于K.Yoshii等人在测量分子转动温度时，仅仅假设了排列光强度，
实际并没有测量排列光强度，因此，准确的排列光强度是未知的；同时，分子转动温度是基
于假设的排列光强度进行测量的，因此分子转动温度也是不准确的。
发明内容
[0004] 针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种同步测量分子转动温度和排列光强度的方法及系统，其目的在于，实现分子转动温度和排列光强度的同步、高精度测
量。
[0005] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种同步测量分子转动温度和排列光强度的方法，包括以下步骤：
[0006] (S1)先利用排列光作用于待测气体分子，以诱导待测气体分子出现周期性排列，然后利用探测光作用于待测气体分子，以产生高次谐波；
[0007] (S2)测量目标阶次的高次谐波信号作为目标谐波信号，从而得到当前排列光与探测光之间的时间延迟所对应的目标谐波信号；
[0008] (S3)针对多个不同的时间延迟，分别执行步骤(S1)～(S2)，从而得到多个时间延迟所对应的目标谐波信号，并由此拟合得到目标谐波信号随时间延迟的变化曲线；
[0009] (S4)基于拟合结果获得目标谐波信号在1/2转动周期附近出现的局部最大值和局部最小值所对应的时间延迟，分别记为第一时间延迟和第二时间延迟；
[0010] (S5)利用数值方法分别求解第一时间延迟和第二时间延迟对应的所有分子转动温度和排列光强度的组合，并在同一坐标系中绘制该求解结果，从而分别得到第一时间延
迟和第二时间延迟对应的等延迟时间曲线；
[0011] (S6)将两条等延迟时间曲线的交点所对应的分子转动温度和排列光强度分别作为待测气体分子的分子转动温度和排列光强度，从而完成分子转动温度和排列光强度的同
步测量；
[0012] 其中，排列光和探测光为相干光。
[0013] 进一步地，目标阶次为探测光与周期性排列的待测气体分子相互作用产生的高次谐波平台区中的一个阶次。
[0014] 进一步地，步骤(S3)中，通过最小二乘法拟合得到目标谐波信号随时间延迟的变化曲线。
[0015] 按照本发明的另一个方面，提供了一种同步测量分子转动温度和排列光强度的系统，包括：泵浦‑探测装置、透镜、气体室、X射线光谱仪以及控制装置；
[0016] 泵浦‑探测装置用于产生相干且时间延迟可调的排列光和探测光，并使得所产生的排列光和探测光先后经同一出射光路出射；
[0017] 透镜、气体室和X射线光谱仪依次设置于泵浦‑探测装置的出射光路上；
[0018] 气体室用于容纳待测气体分子；透镜用于先将排列光聚焦于待测气体分子，以诱导待测气体分子出现周期性排列，然后将探测光聚焦于待测气体分子，以产生高次谐波；X
射线光谱仪用于测量目标阶次的高次谐波信号作为目标谐波信号；
[0019] 控制装置包括拟合模块和数值求解模块；
[0020] 拟合模块与X射线光谱仪相连，用于通过X射线光谱仪得到当前排列光与探测光之间的时间延迟所对应的目标谐波信号；控制装置还用于根据多个时间延迟对应的目标谐波
信号拟合得到目标谐波信号随时间延迟的变化曲线，并基于拟合结果获得目标谐波信号在
1/2转动周期附近出现的局部最大值和局部最小值所对应的时间延迟，分别记为第一时间
延迟和第二时间延迟；
[0021] 数值求解模块，用于利用数值方法分别求解第一时间延迟和第二时间延迟对应的所有分子转动温度和排列光强度的组合，并在同一坐标系中绘制该求解结果，从而分别得
到第一时间延迟和第二时间延迟对应的等延迟时间曲线；数值求解模块，还用于将两条等
延迟时间曲线的交点所对应的分子转动温度和排列光强度分别作为待测气体分子的分子
转动温度和排列光强度，从而完成分子转动温度和排列光强度的同步测量。
[0022] 进一步地，X射线光谱仪包括：紫外平场光栅、微通道板和CCD探测器；
[0023] 紫外平场光栅放置于气体室后方并且与高次谐波光束之间存在一个夹角，用于将不同阶次的高次谐波在空间上分离开；
[0024] 微通道板放置于紫外平场光栅后方，用于接收各阶次的高次谐波信号；
[0025] CCD探测器放置于微通道板后方，用于收集各阶次的高次谐波信号。
[0026] 进一步地，泵浦‑探测装置包括：激光器、第一分束镜、延时线以及第二分束镜；
[0027] 第一分束镜设置于激光器的出射光路上，用于将激光器产生的激光分束为排列光和探测光；
[0028] 延时线设置于探测光的传播光路上，用于调节排列光和探测光之间的时间延迟；
[0029] 第二分束镜设置于排列光和探测光的光路交汇处，用于调整排列光和探测光的传播方向，使得排列光和探测光先后传播至透镜。
[0030] 进一步地，泵浦‑探测装置还包括：第一反射镜组和第二反射镜组；
[0031] 第一反射镜组设置于排列光的传播光路上，用于调节排列光的传播方向；
[0032] 第二反射镜组设置于探测光的传播光路上，用于调节探测光的传播方向。
[0033] 进一步地，目标阶次为探测光与周期性排列的待测气体分子相互作用产生的高次谐波平台区中的一个阶次。
[0034] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0035] (1)本发明通过实验拟合方式获取高次谐波信号随排列光和探测光之间的时间延迟的变化关系，由此得到1/2转动周期附近高次谐波信号最大值和最小值对应的时间延迟，
通过理论计算获得这两个时间延迟对应的所有分子转动温度和排列光强度的组合，并在同
一坐标系中绘制这两个时间延迟对应的等时间延迟曲线，由于1/2转动周期附近高次谐波
信号最大值和最小值对应的时间延迟与转动温度和排列光强度都有显著的依赖关系，本发
明根据这两个时间延迟对应的等时间延迟曲线交点能够同步获得分子转动温度和排列光
强度的测量结果，并且由于这两个参数都是基于理论计算得到的，因此，其测量精度较高。
总的来说，本发明能够实现分子转动温度和排列光强度的同步、高精度测量。
[0036] (2)本发明以探测光与周期性排列的待测气体分子相互作用产生的高次谐波平台区中的一个阶次作为目标阶次，由于平台区信号强度较大且稳定，因此，本发明能够准确测
量高次谐波信号，进而保证基于高次谐波信号同步测量的分子转动温度和排列光强度具有
较高精度。
附图说明
[0037] 图1为本发明实施例提供的同步测量分子转动温度和排列光强度的方法流程图；
[0038] 图2为本发明实施例提供的多个时间延迟及对应的目标谐波信号及拟合得到的目标谐波信号随时间延迟的变化曲线；其中，(a)为多个时间延迟及对应的目标谐波信号，(b)
为拟合得到的目标谐波信号随时间延迟的变化曲线；
[0039] 图3为本发明实施例提供的第一时间延迟和第二时间延迟所对应的等时间延迟曲线以及两条等时间延迟曲线交点示意图；其中，(a)为第一时间延迟对应的等时间延迟曲
线，(b)为第二时间延迟对应的等时间延迟曲线，(c)为两条时间延迟曲线的交点示意图；
[0040] 图4为本发明实施例提供的同步测量分子转动温度和排列光强度的系统示意图。
具体实施方式
[0041] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0042] 在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
[0043] 为了实现分子转动温度和排列光强度的同步、高精度测量，在本发明的一个实施例中，提供了一种同步测量分子转动温度和排列光强度的方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0044] (S1)先利用排列光作用于待测气体分子，以诱导待测气体分子出现周期性排列，然后利用探测光作用于待测气体分子，以产生高次谐波；
[0045] 在本实施例中，待测气体分子为氮气(N2)分子；在本发明其他的实施例中，待测气体也可以为其他任意一种气体分子，其测量过程与N2分子类似；
[0046] 在诱导气体分子周期性排列的过程中，会产生分子转动波包，且转动波包每隔Trev＝1/2Bec的时间，都会精确的自我重复一次，即分子转动周期为Trev＝1/2Bec，其中，c是光
速，Be是分子的转动常数；
[0047] (S2)测量目标阶次的高次谐波信号作为目标谐波信号，从而得到当前排列光与探测光之间的时间延迟所对应的目标谐波信号；
[0048] 作为一个优选的实施方式，目标阶次为探测光与周期性排列的待测气体分子相互作用产生的高次谐波平台区中的一个阶次；由于平台区信号强度较大且稳定，因此，本实施
例能够准确测量高次谐波信号，进而保证基于高次谐波信号同步测量的分子转动温度和排
列光强度具有较高精度；
[0049] (S3)针对多个不同的时间延迟，分别执行步骤(S1)～(S2)，从而得到多个时间延迟所对应的目标谐波信号，并由此拟合得到目标谐波信号随时间延迟的变化曲线；
[0050] 在本实施例中，所得到的多个时间延迟所对应的目标谐波信号如图2中的(a)所示；
[0051] 在一个可选的实施方式中，步骤(S3)中，通过最小二乘法拟合得到目标谐波信号随时间延迟的变化曲线，相应的拟合得到的变化曲线如图2中的(b)所示；
[0052] (S4)基于拟合结果获得目标谐波信号在1/2转动周期附近出现的局部最大值和局部最小值所对应的时间延迟，分别记为第一时间延迟和第二时间延迟；
[0053] 如图2中的b所示，在一个转动周期内有四个特征时刻ta，tb，tc和td。ta是1/4Trev附近局部最小值，tb是在1/2Trev附近局部最大值和最小值的中点，tc是3/4Trev附近局部最大
值，td是在Trev附近最大值和最小值的中点；这四个特征时刻与排列光强度和分子转动温度
无关，可以用来校准在实验中测量的时间延迟；
[0054] (S5)利用数值方法分别求解第一时间延迟和第二时间延迟对应的所有分子转动温度和排列光强度的组合，并在同一坐标系中绘制该求解结果，从而分别得到第一时间延
迟和第二时间延迟对应的等延迟时间曲线；
[0055] 在一系列分子转动温度和排列光强度下计算随高次谐波信号随时间延迟的变化关系；
[0056] 计算中，用数值方法求解分子转动波包含时薛定谔方程：
[0057]
[0058] 其中J是转动算符，ΨJM(θ，φ，t)是分子转动状态的波函数，Be是分子的转动常数，θ和 是分子的偏转方向和方位角，t是排列光和探测光之间的时间延迟，α∥和α⊥是平行和
垂直于分子轴的极化率张量分量。E(t)为排列光电场的包络。对于方程(1)，可以用分裂算
子方法求解每个初始转动状态|JM>；
[0059] 假设初始转动状态遵循玻尔兹曼分布，那么随时间变化的分子的角向分布可以写成加权平均波包的模平方：
[0060] ρ(θ，φ，t)＝∑JMΓJM|ΨJM(θ，φ，t)|2 (2)
[0061] ΓJM是波尔兹曼分布给出的初始状态|JM>的权重分布，JM表示初始转动状态的波函数，E(t)对应排列光的电场，其平方就是排列光的光强，分子转动温度决定了初始转动状
态，因而在ΓJM中包含了分子转动温度；
[0062] 随时间变化的高次谐波信号可以用下式表示：
[0063]
[0064] Sq(θ)是给定方向的单分子q次高次谐波的偶极矩，可以通过使用定量散射理论计算得出；
[0065] 用最小二乘法拟合随延时变化的高次谐波信号，如图2中的(b)所示，得到1/2转动周期(1/2Trev)附近的局部最大值和最小值分别出现的时刻 和 分别为4.024皮秒
和4.388皮秒，分别记为第一时间间隔和第二时间间隔；通过理论计算，找出在1/2转动周期
附近局部最大值对应时间延迟同为4.024皮秒的所有分子转动温度和排列光强度的组合，
同样找出在1/2转动周期附近局部最小值对应时间延迟同为4.388皮秒的所有分子转动温
度与排列光强度的组合；由第一时间延迟对应的所有分子转动温度和排列光强度的组合拟
合得到的等延迟时间曲线如图3中的(a)所示；由第二时间延迟对应的所有分子转动温度和
排列光强度的组合拟合得到的等延迟时间曲线如图3中的(b)所示；
[0066] (S6)将两条等延迟时间曲线的交点所对应的分子转动温度和排列光强度分别作为待测气体分子的分子转动温度和排列光强度，从而完成分子转动温度和排列光强度的同
步测量；
[0067] 在同一坐标系中，第一时间延迟和第二时间延迟对应的等延迟时间曲线如图3中的(c)所示；
[0068] 其中，排列光和探测光为相干光。
[0069] 在本发明的另一个实施例中，提供了一种同步测量分子转动温度和排列光强度的系统，如图4所示，包括：泵浦‑探测装置、透镜、气体室、X射线光谱仪以及控制装置；
[0070] 泵浦‑探测装置用于产生相干且时间延迟可调的排列光和探测光，并使得所产生的排列光和探测光先后经同一出射光路出射；
[0071] 透镜、气体室和X射线光谱仪依次设置于泵浦‑探测装置的出射光路上；
[0072] 气体室用于容纳待测气体分子；透镜用于先将排列光聚焦于待测气体分子，以诱导待测气体分子出现周期性排列，然后将探测光聚焦于待测气体分子，以产生高次谐波；X
射线光谱仪用于测量目标阶次的高次谐波信号作为目标谐波信号；
[0073] 控制装置包括拟合模块和数值求解模块；
[0074] 拟合模块与X射线光谱仪相连，用于通过X射线光谱仪得到当前排列光与探测光之间的时间延迟所对应的目标谐波信号；控制装置还用于根据多个时间延迟对应的目标谐波
信号拟合得到目标谐波信号随时间延迟的变化曲线，并基于拟合结果获得目标谐波信号在
1/2转动周期附近出现的局部最大值和局部最小值所对应的时间延迟，分别记为第一时间
延迟和第二时间延迟；
[0075] 数值求解模块，用于利用数值方法分别求解第一时间延迟和第二时间延迟对应的所有分子转动温度和排列光强度的组合，并在同一坐标系中绘制该求解结果，从而分别得
到第一时间延迟和第二时间延迟对应的等延迟时间曲线；数值求解模块，还用于将两条等
延迟时间曲线的交点所对应的分子转动温度和排列光强度分别作为待测气体分子的分子
转动温度和排列光强度，从而完成分子转动温度和排列光强度的同步测量。
[0076] 如图4所示，本实施例中，X射线光谱仪包括：紫外平场光栅、微通道板和CCD探测器；
[0077] 紫外平场光栅放置于气体室后方并且与高次谐波光束之间存在一个夹角，用于将不同阶次的高次谐波在空间上分离开；在本实施例中，紫外平场光栅与高次谐波光束之间
的夹角为6度；
[0078] 微通道板放置于紫外平场光栅后方，用于接收各阶次的高次谐波信号；
[0079] CCD探测器放置于微通道板后方，用于收集各阶次的高次谐波信号。
[0080] 如图4所示，本实施例中，泵浦‑探测装置包括：激光器、第一分束镜、延时线以及第二分束镜；
[0081] 第一分束镜设置于激光器的出射光路上，用于将激光器产生的激光分束为排列光和探测光；
[0082] 延时线设置于探测光的传播光路上，用于调节排列光和探测光之间的时间延迟；
[0083] 第二分束镜设置于排列光和探测光的光路交汇处，用于调整排列光和探测光的传播方向，使得排列光和探测光先后传播至透镜。
[0084] 如图4所示，本实施例中，泵浦‑探测装置还包括：第一反射镜组和第二反射镜组；
[0085] 第一反射镜组设置于排列光的传播光路上，用于调节排列光的传播方向；
[0086] 第二反射镜组设置于探测光的传播光路上，用于调节探测光的传播方向。
[0087] 本实施例中，目标阶次为探测光与周期性排列的待测气体分子相互作用产生的高次谐波平台区中的一个阶次；
[0088] 在本实施例中，控制装置中的各模块的具体实施方式可参考上述方法实施例中的描述，在此将不作复述。
[0089] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。
