一种可见泵浦-红外探测二维光谱测量系统及方法

摘要

本发明涉及一种可见泵浦‑红外探测二维光谱测量系统及方法，属于超快光谱技术领域，系统包括：飞秒激光单元、输出红外探测光的光参量放大器、输出可见泵浦光的光参量放大器、延迟线、脉冲整形系统、样品装载系统、红外光谱测量系统和计算机控制系统，飞秒激光单元产生的飞秒脉冲分为两束，一束进入光参量放大器产生红外探测光，另一束经过延迟线后进入光参量放大器产生可见泵浦光，并经脉冲整形系统产生间隔可调的两个或者多个脉冲；将泵浦脉冲和探测脉冲以一定的几何关系聚焦在样品上，探测光经过样品之后进入红外光谱系统。本发明能够消除二维光谱测量中由于振动和平移台位置不确定性导致的相位不确定性，简化二维光谱测量系统的结构，缩短测量时长，提升测量效率。

说明书

技术领域

本发明属于超快光谱技术领域，具体涉及一种可见泵浦-红外探测二维光谱测量系统及方法。

背景技术

近年来，超快光谱技术凭借其超高的时间分辨率在物理化学研究中成为了一种重要的表征手段，通过二维光谱能够直观地表征分子激发态的能量转移，获取分子的动力学信息。

常规的通过多光束二维光谱系统由于平移台精度以及振动的影响，当信号从时域变换到频域时傅里叶变换的相位不确定，从而导致一定程度上的信号失真。另一方面，多光束二维光谱系统结构复杂、测量时间长、效率低下、信号信噪比差，因此其应用受到了很大的限制。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种可见泵浦-红外探测二维光谱测量系统及方法，消除二维光谱测量中由于振动和平移台导致的相位不确定性，简化二维光谱测量系统的结构，缩短测量时长，提升测量效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种可见泵浦-红外探测二维光谱测量系统，包括：飞秒激光单元、输出红外探测光的光参量放大器、输出可见泵浦光的光参量放大器、延迟线、脉冲整形系统、样品装载系统、红外光谱测量系统和计算机控制系统，

所述飞秒激光单元输出高能量飞秒脉冲，所述高能量飞秒脉冲经分光装置分为第一光脉冲和第二光脉冲；

所述第一光脉冲经过所述输出红外探测光的光参量放大器后输出红外探测脉冲；

所述第二光脉冲依次经过所述延迟线和所述输出可见泵浦光的光参量放大器后输出可见泵浦脉冲，所述可见泵浦脉冲经过所述脉冲整形系统的延迟调制和相位调制后输出多个间隔可调的泵浦脉冲；

所述红外探测脉冲和所述泵浦脉冲经反射镜反射后以设定的几何关系聚焦在所述样品装载系统中的样品上，所述红外探测脉冲经过所述样品装载系统后进入所述红外光谱测量系统中；

所述计算机控制系统扫描所述泵浦脉冲与所述红外探测脉冲到达所述样品处的时间间隔以及所述多个泵浦脉冲的延迟和相位，读取并处理所述红外光谱测量系统输出的数据，得到所述样品的可见泵浦-红外探测二维光谱。

进一步，如上所述的一种可见泵浦-红外探测二维光谱测量系统，所述飞秒激光单元包括飞秒脉冲振荡器、啁啾脉冲放大系统和激光控制系统，

所述飞秒脉冲振荡器产生飞秒脉冲，经所述啁啾脉冲放大系统放大后得到所述高能量飞秒脉冲；所述激光控制系统输出脉冲同步信号。

进一步，如上所述的一种可见泵浦-红外探测二维光谱测量系统，所述输出红外探测光的光参量放大器包括光参量放大器和光差频产生器，

所述光参量放大器产生的信号光与闲频光在所述光差频产生器中通过差频产生波长可调的红外探测脉冲。

进一步，如上所述的一种可见泵浦-红外探测二维光谱测量系统，所述输出可见泵浦光的光参量放大器包括非共线光参量放大器，所述第二光脉冲通过所述非共线光参量放大器的放大产生波长可调的可见泵浦脉冲。

进一步，如上所述的一种可见泵浦-红外探测二维光谱测量系统，所述延迟线包括平移台控制单元和平移台，通过调整所述平移台的位置，实现对所述红外探测脉冲与所述可见泵浦脉冲到达所述样品处的时间间隔控制。

进一步，如上所述的一种可见泵浦-红外探测二维光谱测量系统，所述脉冲整形系统包括声光脉冲整形器和射频控制单元，所述射频控制单元向所述声光脉冲整形器输出设定波长范围的射频脉冲，所述声光脉冲整形器对所述可见泵浦脉冲进行调制，输出为多个泵浦脉冲，通过调整所述声光脉冲整形器的延迟和相位，控制所述多个泵浦脉冲的延迟和相位。

再进一步，如上所述的一种可见泵浦-红外探测二维光谱测量系统，基于时间分辨需要确定所述可见泵浦脉冲与所述红外探测脉冲到达所述样品处的时间间隔，基于泵浦光的分辨率以及二维光谱理论计算确定所述多个泵浦脉冲的延迟和相位。

进一步，如上所述的一种可见泵浦-红外探测二维光谱测量系统，所述红外光测量谱系统包括红外光谱仪、红外探测器和控制器，

所述红外光谱仪通过所述计算机控制系统调整所述红外光谱仪的中心波长和更换光栅，所述红外探测器将所述红外探测脉冲的强度转化为电信号，所述控制器读取所述电信号，根据所述飞秒激光单元中的激光控制系统输出的同步信号对所述电信号进行积分，并将积分后的信号输出至所述计算机控制系统。

进一步，如上所述的一种可见泵浦-红外探测二维光谱测量系统，所述计算机控制系统根据预设的间隔控制指令调整所述延迟线的位置；

所述脉冲整形系统根据预设的延迟序列和相位控制指令调整所述脉冲整形系统的延迟和相位。

上述一种可见泵浦-红外探测二维光谱测量系统的测量方法，包括以下步骤：

S1、根据泵浦光和探测光的波长、脉宽和相位需求，调整输出红外探测光的光参量放大器、输出可见泵浦光的光参量放大器以及脉冲整形器的参数；

S2、将待测量样品放在样品架上，计算机控制系统读取红外测量系统的输出信号，调整延迟线到达基准位置，使得泵浦脉冲和红外探测脉冲同时到达样品处；

S3、根据预设的间隔控制指令调整所述延迟线的位置；

S4、根据预设的延迟序列调整所述脉冲整形器的延迟参数，每次调整之后读取所述红外测量系统的输出信号并对其进行数学处理；

S5、穷尽所述预设的延迟序列后，根据预设的相位控制指令调整所述脉冲整形器的相位参数，之后重复步骤S4；

S6、在完成所述预设的延迟序列和所有相位扫描之后对所得的数据进行数学处理，得到所述样品的可见泵浦-红外探测二维光谱。

本发明的有益效果在于：本发明所提供的系统及方法通过延迟线控制泵浦脉冲与探测脉冲之间的间隔，通过脉冲整形系统控制多个泵浦脉冲的延迟以及相位，消除了由于振动和平移台导致的相位不确定性，简化了二维光谱测量系统的结构，缩短了测量时长，提升了测量效率。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中一种可见泵浦-红外探测二维光谱测量系统的结构示意图；

图2为本发明具体实施方式中一种可见泵浦-红外探测二维光谱测量方法的流程图。

附图中：1-飞秒激光单元；2-输出红外探测光的光参量放大器；3-输出可见泵浦光的光参量放大器；4-延迟线；5-脉冲整形系统；6-样品装载系统；7-红外光谱测量系统；8-计算机控制系统；11-飞秒脉冲振荡器；12-啁啾脉冲放大系统；13-激光控制系统；21-光参量放大器；22-光差频产生器；31-非共线光参量放大器；41-平移台控制单元；42-平移台；51-声光脉冲整形器；52-射频控制单元；61-泵浦光聚集系统；62-探测光聚焦-准直系统；63-xyz三轴可调样品台；71-红外光谱仪；72-红外探测器；73-控制器。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明具体实施方式中一种可见泵浦-红外探测二维光谱测量系统的结构示意图，由图1中可以看出，该系统包括：飞秒激光单元1、输出红外探测光的光参量放大器2、输出可见泵浦光的光参量放大器3、延迟线4、脉冲整形系统5、样品装载系统6、红外光谱测量系统7和计算机控制系统8。

飞秒激光单元1输出高能量飞秒脉冲，入射到分光装置后被分为两束脉冲，其中一束脉冲经过输出红外探测光的光参量放大器2后输出红外探测脉冲；另一束脉冲依次经过延迟线4和输出可见泵浦光的光参量放大器3后输出可见泵浦脉冲，可见泵浦脉冲经过脉冲整形系统5的延迟调制和相位调制后输出两个或多个间隔可调的泵浦脉冲。

随后红外探测脉冲和泵浦脉冲经反射镜反射后以设定的几何关系聚焦在样品装载系统6中的样品上，红外探测脉冲经过样品装载系统6后进入红外光谱测量系统7中。

计算机控制系统8读取红外光谱测量系统7输出的数据，并对其进行数学处理，得到待测量样品的可见泵浦-红外探测二维光谱。

其中，飞秒激光单元1包括飞秒脉冲振荡器11、啁啾脉冲放大系统12和激光控制系统13。飞秒脉冲振荡器11产生飞秒脉冲，经啁啾脉冲放大系统12放大后得到高能量飞秒脉冲；激光控制系统13将与高能量飞秒脉冲同步的脉冲同步信号输出到其他系统。

输出红外探测光的光参量放大器2用于将入射的高能量飞秒脉冲转换成红外探测脉冲，它包括光参量放大器21和光差频产生器22，光参量放大器21产生的信号光与闲频光在光差频产生器22中通过差频产生波长可调的红外探测脉冲。

输出可见泵浦光的光参量放大器3用于将入射的高能量飞秒脉冲转换成可见泵浦脉冲，输出可见泵浦光的光参量放大器3包括非共线光参量放大器31，通过非共线光参量放大器31的放大作用产生波长可调的可见泵浦脉冲。

延迟线4包括平移台控制单元41和平移台42，计算机控制系统8根据预设的间隔控制指令精确调整延迟线4的位置，实现对红外探测脉冲与泵浦脉冲到达样品处的时间间隔控制。平移台42具有限位和高精度定位功能，通过计算机控制系统8实现对延迟线4的高精度控制。

脉冲整形系统5用于将入射的一个可见泵浦脉冲调制为两个或多个间隔可调的泵浦脉冲。脉冲整形系统5包括声光脉冲整形器51和射频控制单元52，射频控制单元51向声光脉冲整形器51输出设定波长范围的射频脉冲，声光脉冲整形器51再对入射的可见泵浦脉冲进行调制，输出为多个泵浦脉冲。可调制的项目包括光脉冲的延迟、相位、脉宽、色散、二阶色散、三阶色散、四阶色散、光谱范围、光谱形状、脉冲光强等。脉冲整形系统5根据预设的延迟序列和相位控制指令调整声光脉冲整形器51的延迟参数和相位参数，实现对输出的多个泵浦脉冲的延迟和相位的控制。

其中，可见泵浦脉冲与红外探测脉冲到达样品处的时间间隔是根据时间分辨需要确定的；两个或多个泵浦脉冲的延迟和相位是根据泵浦光的分辨率以及二维光谱理论计算得到的。

样品装载系统6包括泵浦光聚集系统61、探测光聚焦-准直系统62和xyz三轴可调样品台63。

红外光测量谱系统7包括红外光谱仪71、红外探测器72和控制器73，其中，通过计算机控制系统8调整红外光谱仪71的中心波长和更换光栅，红外探测器72能够在77K低温下将红外探测脉冲的强度转化为电信号，控制器73读取所述电信号，根据所述飞秒激光单元中1的激光控制系统13输出的同步信号对所述电信号进行积分，并将积分后的信号输出至计算机控制系统8。

基于上述系统，本发明实施方式中还提供了一种可见泵浦-红外探测二维光谱测量方法，图2示出了本发明具体实施方式中一种可见泵浦-红外探测二维光谱测量方法的流程图，该方法包括以下步骤：

S1、根据泵浦光和探测光的波长、脉宽和相位需求，调整输出红外探测光的光参量放大器2、输出可见泵浦光的光参量放大器3以及脉冲整形器5的参数；

S2、将待测量样品放在样品架上，计算机控制系统8读取红外测量系统7的输出信号，调整延迟线4到达基准位置，使得泵浦脉冲和红外探测脉冲同时到达样品处；

S3、根据预设的间隔控制指令调整所述延迟线4的位置；

S4、根据预设的延迟序列调整所述脉冲整形器5的延迟参数，产生两个或多个一定间隔的泵浦脉冲，每次调整之后读取所述红外测量系统7的输出信号并对其进行数学处理；

S5、穷尽所述预设的延迟序列后，根据预设的相位控制指令调整所述脉冲整形器的相位参数，之后重复步骤S4；

S6、在完成所述预设的延迟序列和所有相位扫描之后对所得的数据进行数学处理，得到被测量样品的可见泵浦-红外探测二维光谱。

在实施测量前，首先调整输出红外探测光的光参量放大器2、输出可见泵浦光的光参量放大器3以及脉冲整形器5，使得泵浦光和探测光的波长、脉宽和相位满足需求；随后在样品架上放上样品，通过计算机控制系统8读取红外测量系统7的信号，通过调整延迟线4的位置使得泵浦脉冲和探测脉冲同时到达样品处。

随后启动测试系统。首先，计算机控制系统8根据预设的间隔控制指令调整延迟线4到指定位置，然后，根据预设的延迟序列调整脉冲整形器5的延迟参数，产生两个或多个一定间隔的泵浦脉冲，每次调整之后计算机控制系统8读取红外测量系统7的输出数据并对其进行数学处理，在完成该序列的扫描之后对所得的数据进行数学处理；随后，计算机控制系统8根据预设的相位控制指令调整脉冲整形器5的相位参数，并再次根据预设的延迟序列调整脉冲整形器5的延迟参数，每次调整之后读取红外测量系统7的输出数据并对其进行数学处理。在完成该序列的扫描之后对所得的数据进行数学处理，得到样品的可见泵浦-红外探测二维光谱。

计算机控制系统8可根据预置指令控制延迟线4位于多个位置，并控制脉冲整形器5对脉冲间隔进行多次扫描。

本发明提供的系统以及方法，通过延迟线控制泵浦脉冲与探测脉冲之间的间隔，通过脉冲整形系统控制两个泵浦脉冲的延迟以及相位，通过扫描泵浦脉冲与探测脉冲之间的间隔以及两个泵浦脉冲的延迟和相位，并对红外光谱测量系统得到的数据进行处理，得到被测量样品的可见泵浦-红外探测二维光谱。

本领域技术人员应该明白，本发明所述系统及方法并不限于具体实施方式中所述的实施例，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。