一种基于能量回收原理的增强光激发波信号的光学系统

摘要

本发明公开了一种基于能量回收原理的增强光激发波信号的光学系统，包括泵浦光出射部分、泵浦光反射部分，泵浦光出射部分包括泵浦光源、泵浦光起偏装置、偏振分光装置、泵浦光聚焦透镜，泵浦光反射部分包括泵浦光调整透镜、四分之一波片、第一泵浦光高反镜、第二泵浦光高反镜。本发明能较大幅度降低相关检测分析仪器与成像系统的成本、体积和重量，也可以在保持对泵浦光源的功率或能量水平要求不变的情况下较大幅度提高相关系统的检测灵敏度。

说明书

技术领域

    本发明涉及光激发波的产生和检测领域，具体为一种基于能量回收原理的增强光激发波信号的光学系统。

背景技术

光束辐照到样品上,通过光与物质的相互作用，会激发产生各种效应，包括光激发热波、光激发声波、光致发光等。通过对这些光激发波效应的检测和分析可以得到关于样品的很多信息，从而衍生出各种基于光激发波的精密分析测试仪器与成像设备，广泛应用于新材料、新能源、电子信息、环境科学、生物医疗、先进制造业等各个领域。

在实际应用中用来辐照样品的光束一般称为泵浦光束，它可以是普通光束，也可以是激光束。根据具体应用情况的不同，泵浦光束可以是简单的连续光、振幅调制的连续光、或者脉冲光。在泵浦光束是振幅调制的连续光或者脉冲光的时候，由于可以利用锁相检测技术或同步检测技术，基于光激发波效应的各类精密分析测试仪器与成像设备通常具有较高的灵敏度和较大的动态范围，因而应用十分广泛。

在基于光激发波效应的各类检测和分析技术中，光激发波效应的信号强度一般都随着泵浦光束能量或功率的增强而增强，因此在很多需要进行较高灵敏度检测与分析的场合，泵浦光源都选用功率（或者单脉冲能量）较高的激光光源。由于激光光源的体积、重量、成本通常都随着功率（或者单脉冲能量）的提高而提高，因此如果能够在不增加泵浦光源功率（或者单脉冲能量）的情况下增强光激发波信号就具有非常重要的意义。

现有的技术在增强光激发波信号方面的工作一般不外乎对泵浦光光路进行优化设计以提高光激发波信号强度、对光激发波信号的具体探测技术进行改进以增强灵敏度、以及在电子线路和信号处理方面提高信噪比等。以光声技术为例，很多努力都是放在对光声池的优化设计上；以光热技术为例，主要努力都是放在对泵浦光光路的优化设计、具体探测方法的选择、以及探测光路和电子线路的设计上。

发明内容

本发明目的是提供一种基于能量回收原理的增强光激发波信号的光学系统，以解决各类基于光激发波的检测分析仪器与成像设备对泵浦光功率或能量水平要求较高的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于能量回收原理的增强光激发波信号的光学系统，其特征在于：包括泵浦光出射部分、泵浦光反射部分，所述泵浦光出射部分包括泵浦光源、依次设置在泵浦光源出射光路上的泵浦光起偏装置、供泵浦光起偏装置起偏后的泵浦光透过的偏振分光装置，以及泵浦光聚焦透镜，所述泵浦光聚焦透镜设置在偏振分光装置透射光路上并对准样品；所述泵浦光反射部分包括接收样品反射或透射的泵浦光束的泵浦光调整透镜，依次设置在泵浦光调整透镜透射光路上的四分之一波片、第一泵浦光高反镜，以及设置在泵浦光出射部分中偏振分光装置反射光路上的第二泵浦光高反镜。

所述的一种基于能量回收原理的增强光激发波信号的光学系统，其特征在于：所述四分之一波片上镀有增透膜。

本发明在保持灵敏度不变的情况下，能较大幅度降低对泵浦光源的功率或能量水平的要求，从而较大幅度降低相关检测分析仪器与成像系统的成本、体积和重量。对一些光激发波信号比较微弱的样品，也可以在保持对泵浦光源的功率或能量水平要求不变的情况下较大幅度提高相关系统的检测灵敏度。

附图说明

图1为本发明应用于高透射率样品时的原理图。

图2为本发明应用于高反射率样品时的原理图。

图3为本发明应用于高透射率样品时的实施例结构图。

图4为本发明应用于高反射率样品时的实施例结构图。

具体实施方式

本发明的原理如下：

如图1所示，对于高透射率的样品，来自泵浦光光源的线偏振光，假设是S偏光，在第一次经过偏振分光镜（假设偏振分光镜对S偏光的透过率为T_s，对P偏振光的反射率为R_p）全部透过，入射到样品上。经过样品出射的泵浦光束在经过1/4波片后被高反射率镜1（假设其反射率为R₁）反射回来，再次经过1/4波片后第二次入射到样品上，此时泵浦光束的偏振方向已经发生了90度变化，变成了P偏振光。第二次入射到样品上的泵浦光从样品出射后第二次入射到偏振分光镜上并被偏振分光镜反射，反射光被高反射率镜2（假设其反射率为R₂）反射回来，再次被偏振分光镜反射后第三次入射到样品上。经过样品出射的泵浦光束再一次经过1/4波片后被高反射率镜1反射回来，经过1/4波片后第四次入射到样品上，此时泵浦光束的偏振方向再次发生了90度变化，变回成了S偏振光。第四次入射到样品上的泵浦光从样品出射后第四次入射到偏振分光镜并全部透过，逸出泵浦光能量回收利用系统。

经过这样的光学系统后，辐照被测样品的泵浦光能量被累计重复利用了四次。如果1/4波片前后表面都镀有增透膜，其透过率近似为100%，则在被测样品内累计的泵浦光功率P可以用如下公式表达：

P=P_oT_s+P_oT_sTR₁+P_oT_sTR₁TR_pR₂R_p+P_oT_sTR₁TR_pR₂R_pTR₁        （1）

公式（1）中P_o是泵浦光在第一次进入偏振分光镜的入射功率，T_s是偏振分光镜对S偏光的透过率，R_p偏振分光镜对对P偏振光的反射率，R₁、R₂分别是高反射率镜1和高反射率镜2的反射率，T是样品的透过率。

表1针对不同样品透过率情况对式（1）中被测样品内累计的泵浦光功率P和P_o的比值做了简单计算，计算中假定R₁=R₂=99.95%，T_s=99.6%，R_p=99.6%，都是实践中比较可行的数值。

表1. 泵浦光能量回收效果与样品透射率之间的关系

TP/Po90.00%341.11%91.00%346.32%92.00%351.60%93.00%356.96%94.00%362.39%95.00%367.89%96.00%373.47%97.00%379.13%98.00%384.87%99.00%390.68%99.95%396.28%

由以上计算与分析可以看出，本发明对具有良好透射率的样品可以比较容易地使泵浦光功率在被测点增强3倍以上甚至接近4倍。

如图2所示，对于高反射率的样品，假设图中样品反射率为R，则在被测样品表面累计的泵浦光功率P可以用如下公式表达：

P=P_oT_s+P_oT_sRR₁+P_oT_sRR₁RR_pR₂R_p+P_oT_sRR₁RR_pR₂R_pRR₁             （2）

公式（2）与公式（1）完全类似：在公式（1）用样品反射率R代替样品透射率T,公式（1）就成了公式（2）。

利用公式（2）进行计算与分析同样可以看出，本发明对具有良好反射率的样品也可以比较容易地使泵浦光功率在被测点增强3倍以上甚至接近4倍。

具体实施例1：

如图3所示。本发明包含泵浦光源1、泵浦光起偏装置2、偏振分光装置3、泵浦光聚焦透镜4、泵浦光调整透镜5、四分之一波片6、第一泵浦光高反镜7、第二泵浦光高反镜8、探测光源9、探测光聚焦透镜10、探测光调整透镜11、空间滤波器12、探测光滤光装置13和探测光探测装置14，样品15放置在泵浦光聚焦透镜4和泵浦光调整透镜5之间。

由泵浦光源1发出的泵浦光束经过起偏装置2后为线偏振光，偏振方向设置为对于偏振分光装置3处于透射状态；由偏振分光装置3透射的泵浦光束由泵浦光聚焦透镜4会聚到样品13上的待测区域；经过样品15的泵浦光束第一次经过泵浦光调整透镜5、四分之一波片6后，由第一泵浦光高反镜7反射后沿原光路返回，并再次经过四分之一波片6和泵浦光调整透镜5，并由泵浦光调整透镜5会聚到样品15上，与第一次经过样品15时的照射区域重合；四分之一波片6的设置为：第二次经过四分之一波片的泵浦光的偏振方向相对于第一次经过四分之一波片前的泵浦光的偏振方向旋转了90度；

第二次经过样品的泵浦光束经过泵浦光聚焦透镜4后，再经由偏振分光装置3反射后，入射到第二泵浦光高反镜8上，再由第二泵浦光高反镜8反射后沿原光路返回，并再次经由偏振分光装置3反射后，由泵浦光聚焦透镜4会聚，第三次照射到样品15上，并与前两次照射区域重合；经过样品15的泵浦光束再一次经过泵浦光调整透镜5、四分之一波片6后，由第一泵浦光高反镜7反射后沿原光路返回，并再次经过四分之一波片6和泵浦光调整透镜5，并由泵浦光调整透镜5会聚，第四次照射到样品15上，与前三次的照射区域重合；由于四分之一波片，第四次照射样品的泵浦光的偏振方向与第一次照射样品前一致，因此，第四次经过样品的泵浦光再经过泵浦光聚焦透镜4后，经由偏振分光装置3透射输出。

由探测光源9发出探测光束由探测光聚焦透镜10会聚、照射到样品15上，与泵浦光在样品上的照射区域重合；经过样品的探测光束再经过探测光调整透镜11、空间滤波器12、滤光装置13后，进入探测光探测装置14。空间滤波器12的作用是使探测光部分通过后进入探测光探测装置14，滤光装置13的作用是滤掉除探测光以外的其它杂散光。由于泵浦光与样品的相互作用，样品上的照射区域材料的特性发生了改变，如折射率等。由于这些变化，经过照射区域的探测光的传播特性会发生改变，如产生新增的会聚或发散的效应。由于这种新增的会聚或发散效应，经过空间滤波器12后进入探测光探测装置14的探测光能量会发生相应的变化，通过对探测光能量变化的测量，就可以相应的获得材料特性改变的信息。

由于泵浦光先后四次照射到样品上的同一区域，这四次照射的叠加效应，使得光激发产生的探测信号较相同能量下单次照射时，有了相应倍数的增加；这相当于在不增加泵浦能量的情况下，较大幅度的提高了信号强度，对于提高探测的效率和精确性有重要的意义。

具体实施例2：

如图4所示。本发明包含泵浦光源1、泵浦光起偏装置2、第一偏振分光装置3、泵浦光聚焦透镜4、泵浦光调整透镜5、四分之一波片6、第一泵浦光高反镜7、第二泵浦光高反镜8、探测光源9、偏振分光装置二16、四分之一波片二17、探测光聚焦透镜10、探测光调整透镜11、空间滤波器12、探测光滤光装置13和探测光探测装置14。

具体实施例2中的泵浦光照射过程及能量回收过程与具体实施例1基本相同，只是泵浦光是多次由样品表面反射，而不是像实施典例一中多次由样品透射。

由探测光源9发出探测光束由偏振分光装置二16透射、经过四分之一波片二17后，由探测光聚焦透镜10会聚，照射到样品15的表面上，与泵浦光在样品上的照射区域重合；经样品表面反射的探测光束沿原光路返回，再次经过探测光聚焦透镜10、四分之一波片二17，此时，探测光偏振方向偏转了 90度，再由偏振分光装置二16反射，由探测光调整透镜11收集后、经过空间滤波器12、滤光装置13后，进入探测光探测装置14。由于泵浦光与样品的相互作用，样品上的照射区域材料的特性发生了改变，如折射率等。由于这些变化，经过照射区域的探测光的传播特性会发生改变，如产生新增的会聚或发散的效应。由于这种新增的会聚或发散效应，经过空间滤波器12后进入探测光探测装置14的探测光能量会发生相应的变化，通过对探测光能量变化的测量，就可以相应的获得材料特性改变的信息。