基于时间分辨的亚周期泵浦探测系统

摘要

一种基于时间分辨的亚周期泵浦探测系统，该系统将泵浦探测技术和激光光束的后压缩技术相结合，最终实现材料一个泵浦光学周期内的非线性光学机制测量。本发明中的系统将探测光脉冲的脉宽压缩至泵浦光脉冲的一个周期内，然后将两束光脉冲同时聚焦到待测样品上，产生非线性光学信号，改变泵浦光和探测光之间的时间延迟，可实现在一个泵浦光学周期内对材料样品中的非线性光学信号的时间测量。该发明可以广泛地研究激光与各类固体材料相互作用间的非线性机制产生过程。

说明书

技术领域

本发明属于非线性光学领域，具体涉及在一个光学周期内探索光与材料相互作用的非线性物理机制的系统。

背景技术

非线性光学是研究激光场与物质相互作用的一种现象。主要的表现为当激光场强度足够强时，强激光场能够改变材料系统的光学性质，同时产生一系列非线性光学现象，这些非线性光学现象与强激光场的强度并不是一个线性的关系。

泵浦探测技术是研究强激光场与物质相互作用间的非线性效应常用技术之一，其主要原理为两束脉冲激光脉冲同时入射到样品上产生发非线性效应信号，两束激光脉冲分别为泵浦光和探测光，且泵浦光一般比探测光强，控制两束激光脉冲间的时间延迟来测量样品在不同延迟位置处的非线性光学信号，并以此来研究激光与物质间的非线性效应。

目前激光光源的迅速发展已实现可将激光脉冲的脉宽压缩到亚周期或单周期，由此激光与物质相互作用间的非线性光学效应也拓展到了亚周期领域，脉宽小于一个周期的激光脉冲具有较大的相干带宽，其产生的非线性光学现象与几个周期的激光脉冲不同，这为深入研究激光与物质在一个激光脉冲周期内的相互作用过程奠定了基础。

发明内容

本发明的目的是为了研究一个周期内材料的非线性光学机制，提出一种基于时间分辨的亚周期泵浦探测系统。该系统中，探测光的脉冲宽度小于泵浦光的单周期脉冲宽度，这两束光束同时入射到待测样品上时会产生非线性光学信号，通过控制泵浦光与探测光脉冲间的时间延迟可以研究在一个泵浦光学脉冲周期内非线性光学信号的产生过程。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于时间分辨的亚周期泵浦探测系统，其特点在于该系统包括：第一反射镜、延时器、第二反射镜、第三反射镜、光谱展宽装置、啁啾色散补偿装置、光开关、第四反射镜、抛物面镜、第五反射镜和光谱仪；

所述的泵浦光经第一反射镜反射后入射到延迟器上，经所述的延时器入射到第二反射镜上，经第二反射镜将泵浦光反射到第三反射镜上，该泵浦光经第三反射镜后入射到抛物面镜上。

所述的探测光直接入射到所述的光谱展宽装置中，经所述的光谱展宽装置后入射到所述的啁啾色散补偿装置中，经所述的啁啾色散补偿装置后将探测光入射到光开关上，然后该探测光经第四反射镜后入射到抛物面镜上。

入射到所述抛物面镜的泵浦光和探测光经所述的抛物面镜后聚焦到待测样品上，该待测样品会辐射出与泵浦光和探测光有关的非线性信号光，该非线性信号光经第五反射镜反射到光谱仪上。

通过改变延时器的位置，可以控制泵浦光与探测光入射到样品上的延迟时间间隔，从而可以在光谱仪上记录非线性信号光在一个泵浦光周期内的变化趋势。

所述的泵浦光为载波包络相位稳定的脉冲激光。

所述的泵浦光波长大于所述的探测光波长。

所述的基于时间分辨的亚周期泵浦探测系统，其特征在于，所述的系统延时扫描精度明显小于泵浦光的一个光周期。

所述的压缩系统是由充满惰性气体的空心光纤系统组成，入射光脉冲经压缩系统进行光谱展宽后，再经过啁啾补偿系统进行色散补偿，从而完成激光脉冲的脉宽压缩。

所述的探测光经光谱展宽装置和啁啾色散补偿装置后，探测光的光束脉宽小于泵浦光的单周期脉宽。

所述光开光可以将由泵浦光和探测光产生的非线性信号光和仅由探测光测量到的信号光做差分处理，扣除测量过程中的背景光，提高信号光的测量精度。

该发明的实验原理如下：

两束脉冲激光分别作为本实验系统的泵浦光和探测光，其中泵浦光在通过延时器后，经抛物面镜聚焦到待测样品上，探测光首先通过光谱展宽装置在频域上将光谱展宽至傅里叶变换极限带宽，然后通过啁啾色散补偿装置将探测光进行时域压缩，压缩至傅里叶变换极限脉宽，然后也通过抛物面镜聚焦到待测样品上，由光谱仪收集因泵浦光和探测光产生的非线性信号光，利用光开关扣除在采集信号光时泵浦光和探测光的背景干扰，从而提高测量的精度。最后改变泵浦光中延时器的位置，可以控制泵浦光与探测光入射到待测样品间的时间延迟间隔，因而可以在光谱仪上记录一个泵浦光时间周期内非线性信号光。

与现有的技术相比，本发明的技术优势是：

与传统泵浦探测技术相比，本发明直接观测一个激光脉冲周期内的非线性光学现象，可了解非线性光学效应的产生过程，从而可以研究形成激光脉冲的独立振荡的可能性，最终可实现固体电子学中的亚周期检测和控制。

与传统泵浦探测技术相比，本发明利用压缩系统和啁啾色散补偿系统，可对激光脉冲的宽度进行时域上的压缩，该装置可根据不同波段的激光脉冲选择相应参数的压缩和色散补偿系统，从而进行不同波段的脉冲压缩，实现亚周期内的电子动力学测量。

与传统泵浦探测技术相比，本发明利用光开关对非线性信号进行了差分处理，扣除了泵浦光与探测光的背景光，提高了非线性信号的准确性，并且可实现实时的测量，可广泛的应用于各类固体材料的非线性光学测量。

附图说明

图1是基于时间分辨的亚周期泵浦探测系统结构示意图

图2是基于时间分辨的亚周期泵浦探测系统的实施例测量结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。

请先参阅图1，图1为本发明基于时间分辨的亚周期泵浦探测系统结构示意图，如图所示，该系统包括：泵浦光1、第一反射镜2、延时器3、第二反射镜4、第三反射镜5、探测光6、压缩系统7、啁啾补偿系统8、斩波器9、第四反射镜10、抛物面镜11、待测样品12、第五反射镜13、光谱仪14；

所述的泵浦光1经第一反射镜2反射后入射到延迟器3上，经所述的延时器3入射到第二反射镜4上，经第二反射镜4将泵浦光反射到第三反射镜5上，该泵浦光经第三反射镜5后入射到抛物面镜11上。

所述的探测光6直接入射到所述的压缩系统7中，经所述的压缩系统7后入射到所述的啁啾补偿系统8中，经所述的啁啾补偿系统8后将探测光入射到斩波器9上，然后该探测光经第四反射镜10后入射到抛物面镜11上。

入射到所述抛物面镜11的泵浦光和探测光经所述的抛物面镜11后同时聚焦到待测样品12上，该待测样品12会辐射出与泵浦光和探测光有关的和频信号光，该和频信号光经第五反射镜13反射到光谱仪14上。

实施例：以泵浦光为4000nm、探测光为800nm，待测样品为熔融石英为例，对本发明做进一步说明。

800nm探测光在经过压缩系统和啁啾色散补偿系统后，脉冲宽度压缩至10fs，小于4000nm泵浦光的单脉冲周期(13fs)，泵浦光和压缩后的探测光共同入射到熔融石英样品上，然后通过光谱仪观测到泵浦光和探测光的非线性和频信号。利用斩波器观测有无探测光入射时的信号，改变泵浦光与探测光之间的时间延迟，可得到时间分辨的亚周期激光脉冲非线性和频信号，其时间间隔为泵浦光脉冲周期的一半(6.5fs)。

图2为测量到的时间分辨的非线性和频信号，横坐标为时间，纵坐标为脉冲强度。本发明旨在通过将探测光的脉冲宽度压缩至泵浦光的单周期脉冲宽度内，控制泵浦光与探测光之间的时间延迟，实现在一个泵浦激光周期内，测量非线性信号的变化情况，从而达到研究一个泵浦激光周期内的非线性效应产生过程。