CN102192895A - 深紫外激光时间分辨装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种时间分辨装置，包括真空腔体、真空泵、光路转换模块、精密平移平台、光路耦合真空腔体、控制箱、锁相放大器、探测器以及时间分辨控制模块；其中，光路转换模块与精密平移平台位于具有高密封性的真空腔体内；真空泵用于抽空所述真空腔体；光路转换模块用于将入射到真空腔体内的深紫外激光分为两束光路不同的激光，并由精密平移平台在控制箱的控制下调节其中一束激光的光路距离，从而对两束激光的光程差加以调节；位于光路耦合真空腔体内的探测器探测所述激光所引起的电流或电压值；在所述时间分辨控制模块根据探测结果中实现时间分辨。本发明能够在真空环境下，通过深紫外激光实现飞秒到纳秒级的时间分辨，具有广泛的适用范围。
Description
技术领域
本发明涉及时间分辨装置，特别涉及深紫外激光适用的真空环境下的时间分辨装置。
背景技术
飞秒激光时间分辨光谱学已广泛应用于超快物理和化学过程的研究，尤其是凝聚态物质的时间演化动力学过程(例如固体中激子弛豫过程，激子-声子相互作用，载流子扩散，自旋寿命等)和特定分子体系的反应渠道(例如分子的顺-反异构和定向弛豫、电荷和质子的转移、激发态分子碰撞预解离、能量传递及催化机理)识别。美国加州理工大学的Ahmed Zewail教授因为首先利用飞秒激光对化学反应过程的中间过渡态的探测和研究而获得1999年诺贝尔化学奖。
在很多物理和化学过程中，构成原子的间距和相互作用大小决定了众多过程发生在飞秒至纳秒量级之间，这些过程被称为超快过程。如何实现对超快过程的实时观测和记录一直以来是人们关注的问题。要实现对超快过程的实时检测和记录首先需要有一把时间上足够精确的尺子——超短脉冲激光(指脉冲宽度在皮秒或飞秒范围内的激光)，只有用超短脉冲激光才有可能观察这些超快过程。
对超快过程进行实时测量和记录的装置被称为时间分辨装置，通常非商业化的时间分辨装置包括：精密电动平移台、锁相放大器以及探测器、分束片等。时间分辨装置在作为外置光源的超短脉冲激光的配合下工作。利用超短脉冲激光的短脉冲特性、精密电动平移台的精确控制光程差(即时间差)特性以及锁相放大器提高信噪比的特性，所述时间分辨装置实现了对超快物理过程的实时观测和记录。时间分辨装置在工作过程中，通过分束片将超短脉冲激光分为两束，通常—束作为用于激发的泵浦光；另外一束作为用于探测的探测光；泵浦光和探测光经过非线性光学过程后具有不同的波长并被探测器探测，泵浦光与探测光之间的光程差可以被从小到大改变做顺序扫描，能够探测的最小时间差由激光的脉冲宽度决定，从而能够观测与脉冲宽度相当或更长的时间内发生的物理过程。
现有技术中的时间分辨装置所采用的超短脉冲激光的中心波长一般尚不涵盖深紫外波段，与可见或紫外脉冲激光相比，深紫外波段对应着更高的能量值，约为7eV左右。在探测某些材料的动力学过程时，因其能级之间的差值较大或材料体系能带带隙较大，要实现激发和探测这些材料的物理过程必须采用波长更短(即单光子能量大)的深紫外波段的激光。但深紫外光的波长小于185nm，当光波长小于200nm时，空气中的氧气、水分子、二氧化碳等物质会强烈吸收光波，致使该波段的光不能在空气中长距离传播(深紫外光因此也被称为真空紫外光)，因此会给深紫外激光的应用带来困难。现有技术中尚不存在能够利用深紫外激光进行探测的时间分辨装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够利用深紫外激光进行探测的时间分辨装置。
为了实现上述目的，本发明提供了一种时间分辨装置，包括真空腔体101、真空泵102、光路转换模块、精密平移平台108、光路耦合真空腔体115、控制箱122、锁相放大器123、探测器124以及时间分辨控制模块125；其中，所述光路转换模块与所述精密平移平台108位于具有高密封性的所述真空腔体101内；
所述真空泵102用于抽空所述真空腔体101；所述光路转换模块用于将入射到所述真空腔体101内的深紫外激光分为两束光路不同的激光，并由所述精密平移平台108在所述控制箱122的控制下调节其中一束激光的光路距离，从而对两束激光的光程差加以调节；位于所述光路耦合真空腔体115内的探测器124探测所述激光所引起的电流或电压值；在所述时间分辨控制模块125根据探测结果中实现时间分辨。
上述技术方案中，还包括充气管103；所述充气管103位于所述真空腔体101内，通过向所述真空腔体101充入氮气来排除所述真空腔体101内的空气。
上述技术方案中，所述充气管103环型排布在所述真空腔体101内，所述充气管103上开有多个平均分布的放气孔。
上述技术方案中，还包括用于改变所述深紫外激光在所述真空腔体101内的传播路径的线性驱动器；所述线性驱动器安装在所述真空腔体101上并能够相对于所述真空腔体101运动；其末端连接有挡光板或反射镜，所述挡光板或反射镜位于所述真空腔体101内。
上述技术方案中，所述光路转换模块包括分光片105、第一半波片106、第一偏振片107、第一反射镜109、第二反射镜116、第三反射镜117、第四反射镜118、第五反射镜119、第二半波片120、第二偏振片121；其中，
所述的第四反射镜118、第五反射镜119安装在所述精密平移平台108上，它们的位置会随着所述精密平移平台108的移动而发生改变；当深紫外激光进入所述真空腔体101后，由所述分光片105将入射的深紫外激光分为两束，一束为反射光，一束为透射光，其中的反射光经由所述第一偏振片107、第一半波片106后，先后被所述第二反射镜116、第三反射镜117反射，到达第一反射镜109；而所述透射光经由所述第二偏振片121、第二半波片120后，被安装在所述精密电动平移台108上的所述第四反射镜118、第五反射镜119反射，到达所述第一反射镜109；所述的反射光与透射光在所述第一反射镜109处合为一路光。
上述技术方案中，所述光路转换模块中的光学元件采用包括氟化钙，氟化镁在内的对深紫外激光吸收较小的材料制成。
上述技术方案中，所述光路转换模块中的光学元件的表面镀有用于减少吸收深紫外激光的膜。
上述技术方案中，所述真空腔体101上设置有用于观察真空腔体101内的仪器的观察窗。
上述技术方案中，所述精密平移平台108的最小步长达到3.33fs。
上述技术方案中，所述时间分辨控制模块125通过所述控制箱122向所述精密平移平台108发送控制指令，根据该控制指令所述精密平移平台108调节所述两束激光之间的光程差；所述时间分辨控制模块125将所述光程差作为变量，将所述激光所引起的电流或电压值作为随变量，将所述变量与所述随变量相联系，从而实现所述的时间分辨。
上述技术方案中，所述的真空腔体101、光路耦合真空腔体115、精密平移平台108以及所述光路转换模块中的光学元件采用包括316或304型不锈钢在内的放气少的材料实现。
上述技术方案中，所述的真空腔体101和/或光路耦合真空腔体115的内表面做喷丸处理。
本发明还提供了一种利用所述的时间分辨装置实现时间分辨的方法，包括：
步骤1)、深紫外激光进入所述真空腔体101后被分为两束光路不同的激光；
步骤2)、时间分辨控制模块125通过控制箱122控制精密平移平台108，以调节所述两束激光间的光程差；
步骤3)、所述两路激光合为一路后，由探测器124探测所述激光所引起的电流或电压值；
步骤4)、所述时间分辨控制模块125将所述光程差作为变量，将所述激光所引起的电流或电压值作为随变量，将所述变量与所述随变量相联系，从而实现所述的时间分辨。
本发明的优点在于：
本发明能够在真空环境下，通过深紫外激光实现飞秒到纳秒级的时间分辨，具有广泛的适用范围。
附图说明
图1为本发明的时间分辨装置的结构示意图；
图2为本发明的时间分辨装置的从图1箭头方向所示的侧视图。
图面说明
101真空腔体 102真空泵 103充气管
104入光口深紫外光学窗 105分光片
106第一半波片 107第一偏振片 108精密平移平台
109第一反射镜 110第一线性驱动器 111第二线性驱动器
112第三线性驱动器 114深紫外激光光谱仪 115光路耦合真空腔体
116第二反射镜 117第三反射镜 118第四反射镜
119第五反射镜 120第二半波片 121第二偏振片
122控制箱 123锁相放大器 124探测器
125时间分辨控制模块 202真空腔盖
203第一观察窗 204第二观察窗 205第三观察窗
206第四观察窗 207第五观察窗 209法兰
210第六反射镜 211第七反射镜
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明加以说明。
如图1所示，本发明的时间分辨装置包括真空腔体101、真空泵102、充气管103、光路转换模块、精密平移平台108、深紫外激光光谱仪114、光路耦合真空腔体115、控制箱122、锁相放大器123、探测器124以及时间分辨控制模块125。下面分别对时间分辨装置中的各个部件以及它们之间的连接关系做详细说明。
所述的真空腔体101是一个密封程度很高的密闭腔体。在该腔体的表面上安装有用于使得深紫外激光进入腔体内的入光口深紫外光学窗104，用于改变光路的线性驱动器，而所述的真空泵102、深紫外激光光谱仪114以及光路耦合真空腔体115也安装在真空腔体101上并与真空腔体101的内部相连通。为了保证真空腔体101的密封度，在真空腔体101表面安装上述部件时，需要采用诸如橡胶圈等密闭材料来密封连接处。在真空腔体101的内部则安装有充气管103、精密电动平移平台108以及光路转换模块。上述入光口深紫外光学窗104要通过深紫外激光，因此应当具有吸收深紫外激光的量非常小的特点。为了实现上述特点，入光口深紫外光学窗104应当采用较少吸收深紫外激光的材料，本实施例中可采用氟化钙材料。相比于氟化镁，它具有没有双折射等副作用的优点。
真空腔体101的上面还安装有真空腔盖，如图2所示，真空腔盖202可在人工控制下打开或闭合，在闭合时通过真空腔盖202上的胶圈密封真空腔体101。为方便多次频繁开启和关闭，真空腔盖202可通过气动弹簧来实现开启或闭合。为了观察真空腔体101内所安装装置(如精密平移平台108)的运行状态，在真空腔盖202上设置了多个观察窗，如图2中的第一观察窗203、第二观察窗204、第三观察窗205、第四观察窗206、第五观察窗207。这些观察窗按需要设置在真空腔盖202上的不同位置，以使得工作人员对真空腔体101内仪器的观察角度更为全面。当然，紫外观察窗的数量和位置并不局限于图2所示。
真空泵102用于从所述真空腔体101内抽出空气，实现真空腔体101内的真空状态。在本实施例中，真空泵102可采用分子泵实现，但在其它实施例中，也可以采用其它类型的泵，如离子泵，油扩散泵，机械泵等。
充气管103用于向真空腔体101充入氮气等气体，以排除真空腔体101内的氧气、二氧化碳、水分子等。如图1所示，充气管103环型排布在真空腔体101内，在充气管103上开有多个平均分布的放气孔，使得氮气能够均匀地充入所述真空腔体101内的各个位置。充气管103通过法兰、真空阀门与外部连接，当需要向真空腔体101充入氮气时，开启真空阀门，氮气经由充气管103进入真空腔体101内。虽然前面所提到的真空泵102具有从真空腔体101中抽取空气的作用，但采用真空泵102抽取空气会有较大的振动和噪声，考虑到氮气对深紫外激光的传播造成的吸收较小，因此，在激光功率比较大，且对振动和噪声有较高要求的情况下，可以利用充气管103向真空腔体101充入氮气来达到排挤空气的效果。为了达到更好的排挤空气的效果，在通过充气管103向真空腔体101内充入氮气时，可以做多次反复的充气操作。
光路转换模块包括用于改变光路的光学部件，如分光片、反射镜、半波片、偏振片等。如图1所示，本实施例中的光学转换模块包括分光片105、第一半波片106、第一偏振片107、第一反射镜109，第二反射镜116、第三反射镜117、第四反射镜118、第五反射镜119，第二半波片120、第二偏振片121；其中，所述的第四反射镜118、第五反射镜119安装在精密平移平台108上，它们的位置可随着精密平移平台108的移动而发生改变。当深紫外激光通过入光口深紫外光学窗104进入真空腔体101后，由分光片105将入射的深紫外激光分为两束，一束为反射光，一束为透射光，其中的反射光经由第一偏振片107、第一半波片106后，先后被第二反射镜116、第三反射镜117反射，到达第一反射镜109。而透射光经由第二偏振片121、第二半波片120后，被安装在精密电动平移台108上的第四反射镜118、第五反射镜119反射，到达第一反射镜109。所述的反射光与透射光在第一反射镜109处合为一路光。这两路光之间由于所路经的光路不同，因此会存在光路差，而通过对精密平移平台108的调节来改变第四反射镜118、第五反射镜119的位置则可以对反射光和透射光的光路差进行调节。光路转换模块中的各个光学部件会与深紫外激光发生作用，为了减少光学元件对深紫外激光的损耗，上述光学元件可采用氟化钙，氟化镁等对深紫外激光吸收较小的材料。同时光学元件的表面还进行了针对深紫外激光的镀膜处理。
精密平移平台108为步进电机驱动的平移装置，该平移台在控制箱122的控制下做一维直线运动。控制箱122根据用户的指令向精密平移平台108发出控制命令，以决定精密平移平台发生平移的时间、平移的尺度等。在本实施例中精密平移平台108的最小步长可以达到3.33fs，可以很容易能够实现调节深紫外激光的光程差的目的。但本发明不局限于如此高精度的精密电动平移台。
深紫外激光光谱仪114用于探测深紫外激光的强度与波长，包含深紫外适用的光电倍增管、深紫外适用的CCD、以及深紫外适用的光栅。上述仪器可由现有技术实现，因此不对其做详细说明。在本实施例中深紫外光谱仪114用于辅助光路调试，为重要辅助设备，但不作为本发明的必要装置，即本发明不局限于具备此项深紫外光谱仪。
光路耦合真空腔体115用于将光引出真空腔体，同时改变光束高度和传播方向。如图2所示，光路耦合真空腔体115通过法兰209与真空腔体101连接，在光路耦合真空腔体115内包括有两个反射镜：第六反射镜210以及第七反射镜211，通过调节第六反射镜210以及第七反射镜211的方向，可实现对对光束方向的调节。
探测器124用于将收集到的光信号转化为电信号，并将所述电信号利用BNC电缆输入到锁相放大器123中，探测器124可采用光电二级管或PMT之类的探测器实现。它可以如图1所示置于光路耦合真空腔体115中，也可以放置于光路耦合真空腔体115外紧接该腔体出光口的地方，具***置可视需要而定。
时间分辨控制模块125用于向控制箱122发送控制命令以实现对精密平移平台108的控制，同时根据锁相放大器123所输入的测量结果信息实现时间分辨。在稍后的说明中，将对时间分辨控制模块125的作用的具体实现加以说明。
线性驱动器用于改变激光在真空腔体101内的传播途径。在图1中示出了多种类型的线性驱动器，如图1中的第一线性驱动器110、第二线性驱动器111、第三线性驱动器112的末端都连结有挡光板，以实现阻挡激光通过的功能。图1中的第四线性驱动器113的末端则连接有一个反射镜，通过移动和调节该反射镜可以使由第一反射镜109反射的激光入射到深紫外激光光谱仪114中，以实现对激光强度、波长的探测。虽然在图1中只示出了上述四个线性驱动器，但本领域技术人员应当了解，线性驱动器的个数、类型以及安装位置并不限于图1中所描述的那样，可根据实际需要确定线性驱动器的个数和位置。
前述真空腔体101、光路耦合真空腔体115以及腔体中所用的零件都可选用316或304型不锈钢，以减少材质放气所带来的真空度降低的现象。腔体的内表面进行喷丸处理，以此来减少腔体内表面的反射所带来的光信号噪声。
在对时间分辨装置的上述硬件结构予以详细说明以后，下面对该时间分辨装置的工作过程加以说明。
外部的深紫外超快激光光源发出波长小于200nm的深紫外激光后，经由入光口深紫外光学窗口104入射到真空腔体101内；入射激光经由分光片105分为两束激光，分别为反射光和透射光，所述反射光经由第一半波片106、第一偏振片107后，先后被第二反射镜116、第三反射镜117反射，到达第一反射镜109；所述透射光经由第二半波片120、第二偏振片121后，被安装在精密平移平台108上的第四反射镜118、第五反射镜119反射，到达第一反射镜109；所述的反射光与透射光在第一反射镜109处合为一路光，然后光束进入到光耦合腔115中，改变其高度和传播方向，最终将该光束经过出光口引到探测器124中。
在探测过程中，时间分辨控制模块125首先会向控制箱122发出指令，在该指令中包含有关于所希望得到的光程差的数值。控制箱122在得到该指令后，根据指令的内容生成相应的控制命令，并发送给精密平移平台108。精密平移平台108在接收到控制命令后，会根据该控制命令发生平移，在平移过程中只改变一束光所经历的距离，另一束光的光程不变，从而实现对前述反射光和透射光的光程差(即时间差)的调整。时间分辨模块125所希望得到的光程差不是唯一的，需要对光程差进行一系列取值，这一过程也被称为扫描。反射光和透射光合而为一并到达探测器124后，探测器124探测由激光所引起的电流或电压值，这一探测结果在锁相放大器123中提高信噪比后被传输到时间分辨控制模块125中。由于反射光和透射光之间的光程差原本就是由时间分辨控制模块125设定的，因此在得到前述的电流或电压值后，就可以实现时间分辨。在实现时间分辨时，将光程差的数值作为变量信息(x-轴)，将电流或电压信号作为随变量(y-轴)，将x-轴与y-轴的数据相联系，从而形成一个物理量(y-轴)随时间(x-轴)演化的过程。对该过程的记录和展示也即实现了时间分辨测量。
从上述描述可以看出，时间分辨控制模块125在工作过程中，一方面通过控制箱122对精密平移平台108发送一系列的运动指令，同时从锁相放大器123接收相应的光探测信号，如此往复，直到完成指定的运行过程；另一方面对变量信息和随变量信息进行综合处理，将大量的阵列式的变量和随变量信息对(xi，yi)连成一体，通过图表功能绘制出时间分辨的实验曲线。除此之外，时间分辨控制模块125还具有多次扫描平均功能，多次扫描有助于信噪比的提高。在运行过程中用户也可以通过时间分辨控制模块125随时终止整个装置的运行，从而实现对时间分辨测量过程的全程全方位监控。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (13)
1.一种时间分辨装置，其特征在于，包括真空腔体(101)、真空泵(102)、光路转换模块、精密平移平台(108)、光路耦合真空腔体(115)、控制箱(122)、锁相放大器(123)、探测器(124)以及时间分辨控制模块(125)；其中，所述光路转换模块与所述精密平移平台(108)位于具有高密封性的所述真空腔体(101)内；
所述真空泵(102)用于抽空所述真空腔体(101)；所述光路转换模块用于将入射到所述真空腔体(101)内的深紫外激光分为两束光路不同的激光，并由所述精密平移平台(108)在所述控制箱(122)的控制下调节其中一束激光的光路距离，从而对两束激光的光程差加以调节；位于所述光路耦合真空腔体(115)内的探测器(124)探测所述激光所引起的电流或电压值；在所述时间分辨控制模块(125)根据探测结果中实现时间分辨。
2.根据权利要求1所述的时间分辨装置，其特征在于，还包括充气管(103)；所述充气管(103)位于所述真空腔体(101)内，通过向所述真空腔体(101)充入氮气来排除所述真空腔体(101)内的空气。
3.根据权利要求2所述的时间分辨装置，其特征在于，所述充气管(103)环型排布在所述真空腔体(101)内，所述充气管(103)上开有多个平均分布的放气孔。
4.根据权利要求1所述的时间分辨装置，其特征在于，还包括用于改变所述深紫外激光在所述真空腔体(101)内的传播路径的线性驱动器；所述线性驱动器安装在所述真空腔体(101)上并能够相对于所述真空腔体(101)运动；其末端连接有挡光板或反射镜，所述挡光板或反射镜位于所述真空腔体(101)内。
5.根据权利要求1或2或4所述的时间分辨装置，其特征在于，所述光路转换模块包括分光片(105)、第一半波片(106)、第一偏振片(107)、第一反射镜(109)、第二反射镜(116)、第三反射镜(117)、第四反射镜(118)、第五反射镜(119)、第二半波片(120)、第二偏振片(121)；其中，
所述的第四反射镜(118)、第五反射镜(119)安装在所述精密平移平台(108)上，它们的位置会随着所述精密平移平台(108)的移动而发生改变；当深紫外激光进入所述真空腔体(101)后，由所述分光片(105)将入射的深紫外激光分为两束，一束为反射光，一束为透射光，其中的反射光经由所述第一偏振片(107)、第一半波片(106)后，先后被所述第二反射镜(116)、第三反射镜(117)反射，到达第一反射镜(109)；而所述透射光经由所述第二偏振片(121)、第二半波片(120)后，被安装在所述精密电动平移台(108)上的所述第四反射镜(118)、第五反射镜(119)反射，到达所述第一反射镜(109)；所述的反射光与透射光在所述第一反射镜(109)处合为一路光。
6.根据权利要求1或2或4所述的时间分辨装置，其特征在于，所述光路转换模块中的光学元件采用包括氟化钙，氟化镁在内的对深紫外激光吸收较小的材料制成。
7.根据权利要求6所述的时间分辨装置，其特征在于，所述光路转换模块中的光学元件的表面镀有用于减少吸收深紫外激光的膜。
8.根据权利要求1或2或4所述的时间分辨装置，其特征在于，所述真空腔体(101)上设置有用于观察真空腔体(101)内的仪器的观察窗。
9.根据权利要求1或2或4所述的时间分辨装置，其特征在于，所述精密平移平台(108)的最小步长达到3.33fs。
10.根据权利要求1或2或4所述的时间分辨装置，其特征在于，所述时间分辨控制模块(125)通过所述控制箱(122)向所述精密平移平台(108)发送控制指令，根据该控制指令所述精密平移平台(108)调节所述两束激光之间的光程差；所述时间分辨控制模块(125)将所述光程差作为变量，将所述激光所引起的电流或电压值作为随变量，将所述变量与所述随变量相联系，从而实现所述的时间分辨。
11.根据权利要求1或2或4所述的时间分辨装置，其特征在于，所述的真空腔体(101)、光路耦合真空腔体(115)、精密平移平台(108)以及所述光路转换模块中的光学元件采用包括316或304型不锈钢在内的放气少的材料实现。
12.根据权利要求1或2或4所述的时间分辨装置，其特征在于，所述的真空腔体(101)和/或光路耦合真空腔体(115)的内表面做喷丸处理。
13.一种利用权利要求1-12之一所述的时间分辨装置实现时间分辨的方法，包括：
步骤1)、深紫外激光进入所述真空腔体(101)后被分为两束光路不同的激光；
步骤2)、时间分辨控制模块(125)通过控制箱(122)控制精密平移平台(108)，以调节所述两束激光间的光程差；
步骤3)、所述两路激光合为一路后，由探测器(124)探测所述激光所引起的电流或电压值；
步骤4)、所述时间分辨控制模块(125)将所述光程差作为变量，将所述激光所引起的电流或电压值作为随变量，将所述变量与所述随变量相联系，从而实现所述的时间分辨。
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