泵浦光与信号光同步斩波、信号光分区记录的泵浦-探测光谱的方法及实现装置

摘要

泵浦光与信号光同步斩波、信号光分区记录的泵浦-探测光谱的方法及实现装置，属于光学领域，本发明为解决有背景探测的泵浦-探测技术当激光输出能量有低频起伏时，测量结果中存在偶然误差的问题。本发明方法为：光学斩波器的偶数孔作遮光处理；同步输入泵浦光和探测光作为泵浦-探测光谱的光源；先利用光学斩波器将延迟t时刻的泵浦光的重复频率减半；泵浦光和探测光依次入射样品，输出信号光；再利用分束器和光学斩波器将信号光分开，形成有泵浦光作用和无泵浦光作用两束信号光，两束信号光分别经光纤收集、成像单色仪分光后入射到成像CCD上下两个区域，经成像CCD单次或多次曝光后同步获取有泵浦光谱信号光谱和无泵浦光谱信号光谱。

说明书

技术领域

本发明涉及泵浦光与信号光同步斩波、信号光分区记录的泵浦-探测光谱的方法及实 现装置，属于光学领域。

背景技术

泵浦-探测技术是通过改变泵浦光与探测光脉冲之间到达样品时间的间隔，记录不同 时间延迟下探测光通过样品后信号光的变化，从而研究样品中时间分辨的光诱导物性变化 规律。在常规的泵浦-探测技术中，由于记录的是探测光在泵浦光作用前后的相对变化量， 所以泵浦-探测技术是有背景探测，当激光输出能量有低频起伏时(比如，飞秒激光泵浦- 探测技术中，当探测光为晶体产生的白光时，白光的稳定性与激光能量相关，易有起伏)， 也就是背景有起伏时，相邻两个信号，即有泵浦光作用和无泵浦光作用的信号就会有较大 的随机起伏引起的背景差异，这会给测量结果带来较大偶然误差，即使采取多次曝光累加 的方法也无法在根本上避免这种偶然误差，并且相应地实验过程则需要更长时间。

发明内容

本发明目的是为了解决有背景探测的泵浦-探测技术当激光输出能量有低频起伏时， 测量结果中的偶然误差无法在根本上避免的问题，提供了一种泵浦光与信号光同步斩波、 信号光分区记录的泵浦-探测光谱的方法及实现装置。

本发明所述泵浦光与信号光同步斩波、信号光分区记录的泵浦-探测光谱的方法为：

光学斩波器的偶数孔作遮光处理；

同步输入泵浦光和探测光作为泵浦-探测光谱的光源；

先利用经遮光处理后的光学斩波器将延迟t时刻的泵浦光的重复频率减半；

然后，泵浦光和探测光依次入射样品，输出信号光；

再利用分束器和经遮光处理后的光学斩波器将所述信号光按奇数脉冲与偶数脉冲分 开，形成有泵浦光作用和无泵浦光作用两束信号光，两束信号光分别经光纤收集、成像单 色仪分光后入射到成像CCD上下两个区域，经成像CCD单次或多次曝光后同步获取有 泵浦光谱信号光谱和无泵浦光谱信号光谱。

所述泵浦光与信号光同步斩波、信号光分区记录的泵浦-探测光谱的方法的实现装置， 它包括样品、经遮光处理的光学斩波器、第一泵浦光全反射镜、第二泵浦光全反射镜、第 三泵浦光全反射镜、光学延迟组、二向分色镜、第一探测光全反镜、第二探测光全反镜、 信号光全反镜、半反镜、第一耦合透镜、第二耦合透镜、第一光纤头、第二光纤头、尾纤 合并耦合装置和CCD成像光谱仪，CCD成像光谱仪由成像单色仪和成像CCD构成，

泵浦光经第一泵浦光全反射镜反射后输出反射后泵浦光，反射后泵浦光经光学延迟组 后输出延迟后泵浦光，延迟后泵浦光再经第二泵浦光全反射镜反射后入射至经遮光处理的 光学斩波器，经遮光处理的光学斩波器输出重复频率减半泵浦光，重复频率减半泵浦光经 第三泵浦光全反射镜和二向分色镜两次反射后共线入射至样品；

与泵浦光同时发出的探测光经第一探测光全反镜和第二探测光全反镜两次全反射后 输出反射后探测光，反射后探测光透射二向分色镜后共线入射至样品；

样品输出的信号光经半反镜分成两路，输出一路反射信号光和一路透射信号光，经遮 光处理的光学斩波器的奇数孔位置输出有泵浦光作用的信号光，经遮光处理的光学斩波器 的偶数孔位置输出无泵浦光作用的信号光，

有泵浦光作用的信号光经第一耦合透镜入射至第一光纤头，

无泵浦光作用的信号光经第二耦合透镜入射至第二光纤头，

第一光纤头和第二光纤头输出的信号光经尾纤合并耦合装置后输出，并经过成像单色 仪入射至成像CCD，成像CCD的上半部分显示有泵浦光作用信号光的光谱，成像CCD 的下半部分显示无泵浦光作用信号光的光谱。

本发明的优点：本发明采用了泵浦光与信号光同步斩波、信号光分区记录的技术，利 用遮光处理后的光学斩波器将泵浦光的重复频率减半，从而使相邻信号脉冲分别为有泵浦 光作用输出和无泵浦光作用输出，再利用分束器和斩波器将信号光按奇数脉冲与偶数脉冲 分开，形成有泵浦光作用和无泵浦光作用两束信号光，分别经光纤收集，单色仪分光，入 射到成像CCD上下两个区域，经CCD单次或多次曝光后同步获取有泵浦光谱信号和无 泵浦光谱信号。

本方法适用性：重复频率低于几千赫兹的脉冲激光作为泵浦光和探测光；所用脉冲激 光的脉宽为纳秒、皮秒和飞秒量级；信号光为探测光经过样品形成的反射光、透射光、衍 射光、或二次谐波。

本发明与常规的泵浦-探测光谱方法相比，本方法的优点是：操作简单，适用于任何 成像CCD，不受CCD响应速度和曝光时间限制，有效抑制了低频激光光强起伏与环境杂 散光引起的测量噪声，极大地提高了测量精度。

附图说明

图1是本发明所述泵浦光与信号光同步斩波、信号光分区记录的泵浦-探测光谱装置 的结构示意图；

图2是光学斩波器遮光原理示意图，以30孔斩波片为例，A与B为奇数孔位置；C 为偶数孔位置；

图3是具体实施例给出的泵浦光、探测光曲线图；

图4是采用常规泵浦-探测方法测量光谱的曲线图；

图5是采用本发明泵浦-探测方法测量光谱的曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述泵浦光与信 号光同步斩波、信号光分区记录的泵浦-探测光谱的方法，为：

光学斩波器的偶数孔作遮光处理；

同步输入泵浦光和探测光作为泵浦-探测光谱的光源；

先利用经遮光处理后的光学斩波器将延迟t时刻的泵浦光的重复频率减半；

然后，泵浦光和探测光依次入射样品，输出信号光；

再利用分束器和经遮光处理后的光学斩波器将所述信号光按奇数脉冲与偶数脉冲分 开，形成有泵浦光作用和无泵浦光作用两束信号光，两束信号光分别经光纤收集、成像单 色仪分光后入射到成像CCD上下两个区域，经成像CCD单次或多次曝光后同步获取有 泵浦光谱信号光谱和无泵浦光谱信号光谱。

泵浦-探测光谱包括有泵浦光谱信号光谱和无泵浦光谱信号光谱。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，同步输入的泵浦光和探测 光来源于同一脉冲激光器，或两个同步输出脉冲激光器。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，所述脉冲激光器输出 的激光脉宽为飞秒量级、皮秒量级或纳秒量级。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式一、二或三作进一步说明，以遮光处理后的 光学斩波器输出TTL信号作为脉冲激光器的触发源，使脉冲激光器输出的重复频率与遮 光处理后的光学斩波器工作频率相同、相位同步；

具体实施方式五：本实施方式对实施方式一、二、三或四作进一步说明，以脉冲激光 器输出TTL信号为遮光处理后的光学斩波器的触发源，使遮光处理后的光学斩波器的工 作频率与脉冲激光器输出的重复频率相同、相位同步。

具体实施方式六：本实施方式对实施方式一、二、三、四或五作进一步说明，该装置 的工作频率以脉冲激光器的工作频率和光学斩波器的重复频率较低者为上限。

具体实施方式七：下面结合图1至图5说明本实施方式，实现实施方式一所述泵浦光 与信号光同步斩波、信号光分区记录的泵浦-探测光谱的方法的装置，它包括样品1、经 遮光处理的光学斩波器2、第一泵浦光全反射镜3、第二泵浦光全反射镜4、第三泵浦光 全反射镜5、光学延迟组6、二向分色镜7、第一探测光全反镜8、第二探测光全反镜9、 信号光全反镜10、半反镜11、第一耦合透镜12、第二耦合透镜13、第一光纤头14、第 二光纤头15、尾纤合并耦合装置16和CCD成像光谱仪17，CCD成像光谱仪17由成像 单色仪17-1和成像CCD17-2构成，

泵浦光经第一泵浦光全反射镜3反射后输出反射后泵浦光，反射后泵浦光经光学延迟 组6后输出延迟后泵浦光，延迟后泵浦光再经第二泵浦光全反射镜4反射后入射至经遮光 处理的光学斩波器2，经遮光处理的光学斩波器2输出重复频率减半泵浦光，重复频率减 半泵浦光经第三泵浦光全反射镜5和二向分色镜7两次反射后共线入射至样品1；

与泵浦光同时发出的探测光经第一探测光全反镜8和第二探测光全反镜9两次全反射 后输出反射后探测光，反射后探测光透射二向分色镜7后共线入射至样品1；

样品1输出的信号光经半反镜11分成两路，输出一路反射信号光和一路透射信号光， 经遮光处理的光学斩波器2的奇数孔位置输出有泵浦光作用的信号光，经遮光处理的光学 斩波器2的偶数孔位置输出无泵浦光作用的信号光，

有泵浦光作用的信号光经第一耦合透镜12入射至第一光纤头14，

无泵浦光作用的信号光经第二耦合透镜13入射至第二光纤头15，

第一光纤头14和第二光纤头15输出的信号光经尾纤合并耦合装置16后输出，并经 过成像单色仪17-1入射至成像CCD17-2，成像CCD17-2的上半部分显示有泵浦光作用信 号光的光谱，成像CCD17-2的下半部分显示无泵浦光作用信号光的光谱。

下面给出一个具体实施例：使用光源为脉冲宽度120fs，重复频率1KHz的飞秒激光 系统。激光输出经分束镜后分为两束，一束经宝石晶体后产生白光作为探测光，波长范围 为可见光，另一束经倍频晶体后产生倍频光作为泵浦光，波长400nm。测量信号为泵浦- 探测瞬态吸收光谱。实验光路设计如图1所示，产生的泵浦光和探测光如图3所示。

首先，光学斩波器作遮光处理。光学斩波器工作频率400Hz～3.7KHz，斩波片为30 孔。实验设定斩波器工作频率为1KHz，并将偶数孔(第2，4，6...孔)用轻质不透明材 料遮住，或者特殊加工类似结构的单片斩波片，如图2所示。让光学斩波器的同步输出电 信号作为外触发源，利用DG535同步触发激光器和CCD成像光谱仪17。此时，A和B 为奇数孔位置，而C为偶数孔位置。

其次，如图1设计光路。令泵浦光经光学延迟组6后通过经遮光处理的光学斩波器2 的A位置，则通过经遮光处理的光学斩波器2的泵浦光实际频率为500Hz，相应地泵浦 光脉冲为奇数脉冲。泵浦光经二向分色镜7反射后近共线地入射样品1，二向分色镜7功 能是：全反射泵浦光，高透过探测光，在样品1中与探测光在时间和空间上重合。这就使 得探测光经过样品后，其中的奇数脉冲为有泵浦光作用的信号光，而偶数脉冲为无泵浦光 作用的信号光。

把信号光用半反镜11分成强度相等的两部分，分别通过经遮光处理的光学斩波器2 的B位置和C位置，则通过B位置的为奇数脉冲，是有泵浦光作用信号光，而通过C位 置的为偶数脉冲，是无泵浦光作用信号光。如图1所示，相邻4个探测光脉冲中，实心正 方形代表泵浦光，实心圆代表有泵浦光作用时的信号光，空心圆代表无泵浦光作用时的信 号光。

有泵浦光作用时的信号光经第一耦合透镜12和第一光纤头14进入尾纤合并耦合装置 16，无泵浦光作用时的信号光经第二耦合透镜13和第二光纤头15进入尾纤合并耦合装置 16，以上下两部分在空间上分开的方式耦合进成像光谱仪17，色散后的信号光相应地成 像在感光区上下两部分。这样，经单次或多次曝光后，即可同步记录有泵浦光作用时的光 谱信号和无泵浦光作用时的光谱信号。

最后，令光学延迟组6在数据采集程序控制下改变泵浦-探测延迟时间，记录一系列 泵浦-探测瞬态吸收光谱图5所示的为某一泵浦-探测延迟时间下、采用本实施方式所述方 法探测到的光谱。

理论模拟：

为了更好说明本实施方式所述方法的意义，理论模拟如下：设某一波长附近，探测光 单脉冲在无泵浦光作用时的信号光强度为100，相对标准偏差为1.6％；有泵浦光作用时 的信号光强度为90，信号光相对变化量的理论值为0.1；在10秒测量时间内共有10000 个探测光脉冲输出，如图3所示。

用常规泵浦-探测方法测量，打开泵浦光，在0.1秒内连续取100个有泵浦光作用时 的信号光脉冲累加，取其平均值记录一个数据点；再挡住泵浦光，在0.1秒内连续取100 个无泵浦光作用的信号光脉冲累加，取其平均值记录一个数据点。则在10秒测量时间内 共有50个有泵浦光作用数据和50个无泵浦光作用数据，共50组100个数据，计算得信 号光相对变化量测量值(50个数据)的相对标准偏差为10％，如图4所示。

利用本发明原理，在0.2秒内取100个奇数脉冲(有泵浦光作用)，同步取100个偶 数脉冲(无泵浦光作用)，同时记录两个数据点，则在10秒测量时间内共有50个有泵浦 光作用数据和50个无泵浦光作用数据，共50组100个数据，计算得信号光相对变化量测 量值(50个数据)的相对标准偏差为0.09％，精度比常规方法提高了两个数量级，如图 5所示。

注意，在上述理论模拟中，都只考虑CCD曝光时间，而没有考虑CCD读取、转换 与传输数据的时间，但这在原则上不影响模拟结果。

具体实施方式八，本实施方式对实施方式七作进一步说明，光学延迟组6由4个个全 反镜构成。泵浦-探测延迟时间通过改变泵浦-探测光谱的光源(同步输入的泵浦光和探测 光)到达样品1的光程来实现。