CN107101946B - 带有探针光脉冲压缩技术的光延时同源激光泵浦探测装置 - Google Patents

带有探针光脉冲压缩技术的光延时同源激光泵浦探测装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种同时兼顾延时精度与时间分辨率的带有探针光脉冲压缩技术的光延时同源激光泵浦探测装置，属于激光与物质相互作用动态物理过程的激光探测技术领域。具体为：激光器输出的激光入射至分光镜，分光镜将入射的光分成两束，一束入射至第一透镜，另一束入射至倍频晶体，倍频晶体出射的光入射至第一偏振片，偏振后输出的p态偏振光入射至脉宽压缩***，脉宽压缩***对入射的光进行脉宽压缩后输出s态偏振光返回至第一偏振片，再反射至全反镜，经全反镜反射的光输入至第一光学延迟***，延迟后的光入射至待测样品表面的目标区域；经第一透镜透射的光入射至待测样品表面的目标区域；目标区域出射的光滤波后的光入射至第一探测器。

Description

带有探针光脉冲压缩技术的光延时同源激光泵浦探测装置
技术领域
本发明涉及一种激光泵浦—探测方法，特别涉及一种高延时精度，且能提供较高时间分辨能力的同源激光泵浦—探测方法，属于激光与物质相互作用动态物理过程的激光探测技术领域。
背景技术
泵浦—探测技术在激光与物质相互作用动态物理过程(如光致物质损伤、材料改性等)的时间分辨探测研究中有着广泛的应用。泵浦—探测技术由两路激光脉冲分别作为泵浦光和探测光。泵浦光即为与物质产生作用的主激光，一般经透镜后，以足够高的功率密度聚焦在物质样品中产生物理过程；探测光(也成为探针光)脉冲则用于对作用区域照明，通过调节探测光脉冲相对于泵浦脉冲到达物理作用区的时间延迟，可以使探测器(如CCD、光谱仪等)捕捉到物理过程不同瞬态时刻的物理量(图像、光谱等)。通过一系列的延时设置，可得到在该物理过程中，物理量时间分辨的变化规律。
在泵浦探测技术中，延时控制精度和时间分辨能力是两个最重要的指标。目前，普遍采用的延时控制方法主要是电延时和光延时。(1)电延时方法：泵浦光脉冲和探测光脉冲分别来源于两***立激光器，其间通过同步机进行所需延时的触发控制。这种情况下，探测光可以采用皮秒甚至更短的脉冲，来获得高的探测时间分辨率，但受制于电子器件(如同步机、激光器Q开关等)的响应误差，不同的泵浦脉冲之间，泵浦和探测脉冲的延时会有抖动，这种抖动随机出现、无法消除，限制了延时控制精度。例如，2015年发表于Applied PhysicsLetter的文章《Identification of the formation phases of filamentary damageinduced by nanosecond laser pulses in bulk fused silica》，介绍了一种用两台激光器输出的激光分别作为泵浦光和探测光的泵浦—探测方法。作泵浦光源的纳秒激光器和作探测光源的皮秒激光器之间用同步机协调，使两台激光器的输出同步或有一定延时。虽然其探测光为皮秒脉冲，它的时间分辨率达到了皮秒量级；但由于其使用了电学延迟的方法，受制于电子器件的响应时间，它的延时会有2纳秒左右的抖动，其采样曝光延时误差在纳秒量级。(2)光延时方法：泵浦光脉冲和探测光脉冲来源于同一台激光器，其间延迟量通过调整该两路脉冲的光程差来决定。稳定的光路能够使延迟量抖动很小，延时精度高，但由于研究激光和物质作用的主激光多为脉冲宽度在纳秒、数十甚至数百纳秒的脉冲激光，来自同一激光源具有相同脉宽的探测脉冲无法实现足够短的有效曝光时间，与电延时方法相比，时间分辨率低。例如，1990年发表于光学学报上的文章《激光与介质薄膜作用过程的等离子体诊断》，介绍了典型的用一台纳秒激光器的输出同时作泵浦光和探测光的泵浦—探测方法。泵浦光和探测光之间的延时通过光程差实现，延时不会有抖动，延时控制精度高，但探测光脉冲的脉宽为15ns，探测***所获得的数据是十几纳秒内积累得到的，时间分辨率较低。
总之，目前激光泵浦—探测***难以同时满足高延时精度和高时间分辨率这两方面的要求，即具有较高延时精度的探测***一般时间分辨率不高，时间分辨率高的探测***延时控制精度较低。
发明内容
针对上述不足，本发明提供一种同时兼顾延时精度与时间分辨率的带有探针光脉冲压缩技术的光延时同源激光泵浦探测装置。
本发明的同源激光泵浦探测装置，所述装置包括激光器1、分光镜2、第一透镜3、倍频晶体4、第一偏振片5、脉宽压缩***6、全反镜M1、第一光学延迟***7、窄带滤波片8和第一探测器9；
激光器1输出的激光入射至分光镜2，分光镜2将入射的光分成两束，其中一束入射至第一透镜3，另一束入射至倍频晶体4，倍频晶体4倍频后出射的光入射至第一偏振片5，经第一偏振片5偏振后输出的p态偏振光入射至脉宽压缩***6，脉宽压缩***6对入射的光进行脉宽压缩后输出s态偏振光返回至第一偏振片5，再经第一偏振片5反射至全反镜M1，经全反镜M1反射的光输入至第一光学延迟***7，第一光学延迟***7输出的光作为探测光入射至待测样品表面的目标区域；
经第一透镜3透射的光作为泵浦光入射至待测样品表面的目标区域；
经待测样品表面的目标区域的光入射至窄带滤波片8，经窄带滤波片8滤波后的光入射至第一探测器9。
经待测样品表面的目标区域的光入射至窄带滤波片8，经窄带滤波片8滤波后的光入射至第一探测器9。
优选的是，所述泵浦探测装置还包括第一1/4波片10、第二偏振片11、第二光学延迟***12、第三偏振片13和第四偏振片14和第二探测器15；
所述第一1/4波片10、第二偏振片11、第二光学延迟***12和第三偏振片13设置在第一光学延迟***7和待测样品之间的光路上；
第一光学延迟***7输出的光入射至第一1/4波片10，经第一1/4波片10透射的光入射至第二偏振片11，经第二偏振片11反射的光输入至第二光学延迟***12，经第二偏振片11透射的光入射至第三偏振片13并透射，然后入射至待测样品表面的目标区域；
第二光学延迟***12输出的光入射至第三偏振片13，经第三偏振片13反射后入射至待测样品表面的目标区域；
所述第四偏振片14设置在滤波片8和第一探测器9之间的光路上，经滤波片8滤波后的光入射至第四偏振片14，经第四偏振片14透射的光入射至第一探测器9，经第四偏振片14反射的光入射至第二探测器15。
优选的是，脉宽压缩***6包括第二1/4波片61、SBS放大池62、第二透镜63和SBS产生池64；
所述经第一偏振片5偏振后输出的p态偏振光入射至第二1/4波片61，经第二1/4波片61透射后的圆偏振光依次入射至SBS放大池62、第二透镜63和SBS产生池64，在SBS放大池62内脉宽压缩后的光延原路返回至第二1/4波片61，再经第二1/4波片61透射，输出s态偏振光至第一偏振片5。
优选的是，所述泵浦探测装置还包括陷阱16；所述陷阱16设置在待测样品的正后方，用于收集废光。
优选的是，所述第一光学延迟***包括全反镜M2和全反镜M3；
输入的光入射至全反镜M2，经全反镜M2反射的光入射至全反镜M3，经全反镜M3反射的光作为第一光学延迟***输出的光。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
本发明的有益效果在于，本发明一方面采用一台激光器的输出同时作为泵浦光和探测光，采用光延时的方法使两光脉冲精确延时，消除电延时中无法避免的抖动问题，提高延时控制精度；另一方面对探测光利用受激布里渊散射效应(SBS)进行脉宽压缩，使其脉宽压缩到原始的二十几分之一，时间分辨率大幅提升，解决光延时中时间分辨率较低的问题。本发明兼顾了延时控制精度以及时间分辨能力这两个重要指标，使其性能进一步提升、使用范围扩展。本发明是可实现皮秒级延时控制精度、百皮秒级时间分辨率的泵浦探测方法。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中获得一张时间分辨图像的带有探测光脉冲压缩技术的同源激光泵浦探测装置的原理结构示意图。
图2为本发明中的泵浦探测***获得高时间分辨率的基本原理示意图，为探测光脉宽与探测器曝光时间的对比。
图3为多次重复获得完整物理过程图像的原理，从上到下三幅图表示在三次实验中分别设置不同延时，获取物理过程不同时间阶段的信息。
图4为具体实施方式中同时获得两张时间分辨图像的同源激光泵浦探测装置的原理结构示意图。
图5为获得两张时间分辨图像的实验中，两探测光脉冲与物理过程的时间关系。
图6为受激布里渊散射效应脉冲压缩示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的带有探针光脉冲压缩技术的光延时同源激光泵浦探测装置，包括激光器1、分光镜2、第一透镜3、倍频晶体4、第一偏振片5、SBS脉宽压缩***6、全反镜M1、第一光学延迟***7、窄带滤波片8和第一探测器9；
激光器1输出的激光入射至分光镜2，分光镜2将入射的光分成两束，其中一束入射至第一透镜3，另一束入射至倍频晶体4，倍频晶体4倍频后出射的光入射至第一偏振片5，经第一偏振片5偏振后输出的p态偏振光入射至SBS脉宽压缩***6，SBS脉宽压缩***6对入射的光进行脉宽压缩后输出s态偏振光返回至第一偏振片5，再经第一偏振片5反射至全反镜M1，经全反镜M1反射的光输入至第一光学延迟***7，第一光学延迟***7输出的光入射至待测样品表面的目标区域；
经第一透镜3透射的光入射至待测样品表面的目标区域。
经待测样品表面的目标区域的光入射至窄带滤波片8，经窄带滤波片8滤波后的光入射至第一探测器9。
本实施方式泵浦探测法的基本思想是用第一个强激光脉冲(泵浦光)辐照样品，使样品产生某种激发或者改变；在一个可调的时间间隔后，用第二个激光脉冲(探测光)照射样品的相应位置，探测光通过与发生瞬时改变的材料相互作用获得信息。通过检测递次间隔下的探测光信号，就可以获得由泵浦光引起激发的衰变过程或其他过程的完整信息。
本实施方式中的激光器1采用YAG激光器输出的脉宽为10ns、波长1064nm的激光脉冲，该激光脉冲被分光镜2一分为二，一路作为泵浦光；另一路做一系列处理后作为探测光。泵浦光经第一透镜3聚焦后打在待测样品表面的目标区域与物质发生相互作用。本实施方式的泵浦探测方法的高时间分辨率由探测光脉冲的窄脉宽和对应的窄带滤波片8保证，即第一探测器必须只响应探测光。如果泵浦光和探测光用同一波长的激光，则散射的泵浦光也会进入第一探测器产生响应，导致整有光进入第一探测器的时间变长，即时间分辨率降低。所以探测光首先要经过一次频率转换，在频谱上与泵浦光拉开足够的距离，且第一探测器前面需放置只允许探测光波段的光通过的窄带滤波片8。本实施方式的第一探测器9采用CCD实现，虽然CCD本身的曝光时间相对来说很长，但是由于整个***处于较暗环境且在镜头前加了窄带滤波片，该窄带滤波片为一种只让特定波长的光通过，对其他波长的光具有极大衰减作用的光学元件，只有探测光的脉冲能够进入CCD，所以有光进入CCD的时间即有效曝光时间只取决于探测光的脉宽，原理图如图2所示。本实施方式对探测光的脉宽进行了压缩，使其脉宽压缩到原始的二十几分之一，时间分辨率大幅提升，解决光延时中时间分辨率较低的问题。
本实施方式的泵浦探测法的一个优势是其所获得信息的时间分辨率基本上只取决于探测光的脉宽。
用这种方法一次可以获得一个超快物理过程某部分的信息。假设在相同条件下发生的多次超快过程高度相似。对多次相同的过程探测成像，每次获取特定延迟时间点的一幅图像，最后把所有不同时间点的图像按照先后顺序排列，即可得到超快过程中物理现象的时间和空间演化特性，原理如图3所示。
本实施方式的窄带滤波片8为532nm窄带滤波片。
优选实施例中，如图4所示，泵浦探测装置还包括第一1/4波片10、第二偏振片11、第二光学延迟***12、第三偏振片13和第四偏振片14和第二探测器15；
所述第一1/4波片10、第二偏振片11、第二光学延迟***12和第三偏振片13设置在第一光学延迟***7和待测样品之间的光路上；
第一光学延迟***7输出的光入射至第一1/4波片10，经第一1/4波片10透射的光入射至第二偏振片11，经第二偏振片11反射的光输入至第二光学延迟***12，经第二偏振片11透射的光入射至第三偏振片13并透射，然后入射至待测样品表面的目标区域；
第二光学延迟***12输出的光入射至第三偏振片13，经第三偏振片13反射后入射至待测样品表面的目标区域；
所述第四偏振片14设置在滤波片8和第一探测器9之间的光路上，经滤波片8滤波后的光入射至第四偏振片14，经第四偏振片14透射的光入射至第一探测器9，经第四偏振片14反射的光入射至第二探测器15。
上述只能获得一张时间分辨图像；而本实施方式通过偏振控制在一次实验中获得两张不同延时处的时间分辨图像，如图4所示。本实施方式在探测光光路中***一块第一1/4波片，使探测光中既有P偏振态的光又有S偏振态的光，然后用第二偏振片11使两不同偏振态的光分开，让两偏振态的光传播不同的距离，再用第三偏振片13将两束光合束。这样得到的探测光一前一后走着两个偏振态互相垂直的光脉冲，探测光经过样品目标区域后再由第四偏振片14不同偏振态的两光脉冲分开，分别导入第一探测器14和第二探测器15中，即可在一次实验中获得两副不同延时的图像。在一次实验中，两探测光脉冲与物理过程的时间关系如图5所示。
优选实施例中，如图1所示，本实施方式对探测光利用受激布里渊散射效应(SBS)进行脉宽压缩，SBS脉宽压缩***6包括第二1/4波片61、SBS产生池64、第二透镜63和SBS放大池62；
所述经第一偏振片5偏振后输出的p态偏振光入射至第二1/4波片61，经第二1/4波片61透射后的圆偏振光依次入射至SBS放大池62、第二透镜63和SBS产生池64，在SBS放大池62内脉宽压缩后的光延原路返回至第二1/4波片61，再经第二1/4波片61透射，输出s态偏振光至第一偏振片5。
由于介质中存在的弹性力学振动或声波场，使得介质密度也随时间、空间做周期性变化，相当于介质中有个衍射光栅。当光进入介质时，会对入射光产生散射。自发布里渊散射即是由介质中的各质点热运动引起的。受激布里渊散射效应是入射光波场与介质内的声波场相互作用产生的一种受激光散射现象。光在自发布里渊过程中，介质内的弹性声波场是由热激发产生的，而受激布里渊散射过程中的弹性声波场是在激光的作用下，介质通过电致缩效应而产生的，弹性声波场的作用相当于运动的光栅。受激布里渊散射是入射光被介质内的运动光栅散射而形成的，一束高功率的激光入射到布里渊介质后，会沿入射光反方向产生一个后向散射光，这个散射光与入射光偏振态相同、有可以忽略不计的波长变化。受激布里渊散射是一种非线性效应，具有明显的阈值效应，只有入射脉冲足够强的部分才能产生受激散射，所以会有脉宽压缩效应。受激布里渊散射效应脉冲压缩示意图如图6所示。
倍频后得到的探测光经过第一偏振片5和第二1/4波片后进入紧凑布里渊双池：SBS放大池62和SBS产生池64，这种双池结构的特点是SBS放大池62和SBS产生池64紧凑放置，在SBS产生池64前面放置一个短焦距的第二透镜63使得抽运光脉冲前沿先达到SBS阈值，随之产生的散射光脉冲进入SBS放大池62，有效地提取泵浦光能量，从而使得脉宽变窄(可将数十纳秒的脉冲压缩到几百皮秒)。入射探测光的偏振方向和第二1/4波片的光轴夹角为45°，进入布里渊池的探测光由于布里渊散射效应会产生一个偏振态与入射光偏振态相同的后向散射光脉冲，后向散射脉冲两次经过第二1/4波片后偏振态旋转90°，回到偏振片后被全部反射，进入延迟光路。最后探测光经过待侧样品的目标区域后进入探测器CCD中，完成时间分辨图像的采集过程。
由于泵浦光与探测光之间的延时只由两路光的光程差决定，延时不会有抖动；光在空气中的速度是0.3mm/ps，所以只要距离测量精度达到0.3mm即可保证皮秒级的延时精度。
优选实施例中，本实施方式还包括陷阱16；所述陷阱16设置在待测样品的正后方，用于收集废光。
优选实施例中，第一光学延迟***7包括全反镜M2和全反镜M3；
输入的光入射至全反镜M2，经全反镜M2反射的光入射至全反镜M3，经全反镜M3反射的光作为第一光学延迟***7输出的光。
本实施方式的全反镜M1固定；全反镜M2和全反镜M3装在导轨上，可同步向前或向后移动以改变延迟时间。
第二光学延迟***12与第一光学延迟***7结构相同。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (4)

1.一种带有探针光脉冲压缩技术的光延时同源激光泵浦探测装置，所述装置包括激光器(1)、分光镜(2)、第一透镜(3)、倍频晶体(4)、第一偏振片(5)、脉宽压缩***(6)、全反镜M1、第一光学延迟***(7)、窄带滤波片(8)和第一探测器(9)；
激光器(1)输出的激光入射至分光镜(2)，分光镜(2)将入射的光分成两束，其中一束入射至第一透镜(3)，另一束入射至倍频晶体(4)，倍频晶体(4)倍频后出射的光入射至第一偏振片(5)，经第一偏振片(5)偏振后输出的p态偏振光入射至脉宽压缩***(6)，脉宽压缩***(6)对入射的光进行脉宽压缩后输出s态偏振光返回至第一偏振片(5)，再经第一偏振片(5)反射至全反镜M1，经全反镜M1反射的光输入至第一光学延迟***(7)，第一光学延迟***(7)输出的光作为探测光入射至待测样品表面的目标区域；
经第一透镜(3)透射的光作为泵浦光入射至待测样品表面的目标区域；
经待测样品表面的目标区域的光入射至窄带滤波片(8)，经窄带滤波片(8)滤波后的光入射至第一探测器(9)；
其特征在于，所述泵浦探测装置还包括第一1/4波片(10)、第二偏振片(11)、第二光学延迟***(12)、第三偏振片(13)和第四偏振片(14)和第二探测器(15)；
所述第一1/4波片(10)、第二偏振片(11)、第二光学延迟***(12)和第三偏振片(13)设置在第一光学延迟***(7)和待测样品之间的光路上；
第一光学延迟***(7)输出的光入射至第一1/4波片(10)，经第一1/4波片(10)透射的光入射至第二偏振片(11)，经第二偏振片(11)反射的光输入至第二光学延迟***(12)，经第二偏振片(11)透射的光入射至第三偏振片(13)并透射，然后入射至待测样品表面的目标区域；
第二光学延迟***(12)输出的光入射至第三偏振片(13)，经第三偏振片(13)反射后入射至待测样品表面的目标区域；
所述第四偏振片(14)设置在滤波片8和第一探测器(9)之间的光路上，经滤波片8滤波后的光入射至第四偏振片(14)，经第四偏振片(14)透射的光入射至第一探测器(9)，经第四偏振片(14)反射的光入射至第二探测器(15)。
2.根据权利要求1所述的带有探针光脉冲压缩技术的光延时同源激光泵浦探测装置，其特征在于，脉宽压缩***(6)包括第二1/4波片(61)、SBS放大池(62)、第二透镜(63)和SBS产生池(64)；
所述经第一偏振片(5)偏振后输出的p态偏振光入射至第二1/4波片(61)，经第二1/4波片(61)透射后的圆偏振光依次入射至SBS放大池(62)、第二透镜(63)和SBS产生池(64)，在SBS放大池(62)内脉宽压缩后的光延原路返回至第二1/4波片(61)，再经第二1/4波片(61)透射，输出s态偏振光至第一偏振片(5)。
3.根据权利要求2所述的带有探针光脉冲压缩技术的光延时同源激光泵浦探测装置，其特征在于，所述泵浦探测装置还包括陷阱(16)；所述陷阱(16)设置在待测样品的正后方，用于收集废光。
4.根据权利要求3所述的带有探针光脉冲压缩技术的光延时同源激光泵浦探测装置，其特征在于，所述第一光学延迟***包括全反镜M2和全反镜M3；
输入的光入射至全反镜M2，经全反镜M2反射的光入射至全反镜M3，经全反镜M3反射的光作为第一光学延迟***输出的光。
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