CN109799196A - 多频脉冲序列超快激光连续光谱检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超快过程的超高时间分辨能力的探测，特别涉及一种多频脉冲序列超快激光连续光谱检测装置及方法，属于超快检测领域。该装置包括超短脉冲激光器、多频脉冲序列产生器、脉冲分频器、CCD相机。本发明的方法是利用超短脉冲激光器产生激光脉冲，利用多频脉冲序列产生器产生多个不同频率脉冲组成的脉冲序列，不同频率脉冲之间有一定时间延迟，通过样本以后利用脉冲分频器将各个频率的激光脉冲在空间上进行分离，再使用CCD相机进行光谱探测，从而获得样本的超快连续电子动态光谱信息。本发明可使时间分辨率达到飞秒量级；实现不同频率波段的光谱连续探测，对不具备重复实验条件的过程进行完整连续光谱测量；拍摄周期以及拍摄数量可控调节。

Description

多频脉冲序列超快激光连续光谱检测装置及方法

技术领域

本发明涉及超快过程的超高时间分辨能力的探测，特别涉及一种多频脉冲序列超快激光连续光谱检测装置及方法，属于超快检测领域。

背景技术

在不同科学研究和工艺技术研发中，经常需要对某一过程进行时间间隔极短的连续检测。例如，超快激光制造过程中的材料对光子能量的吸收转移、电子激发等过程直接影响和决定了后续加工过程，包括制造结果的质量和精度，因此对该过程的观察至关重要。然而，该过程持续时间短，变化快，约为飞秒量级(10^-15s)。

传统的连续检测设备，无法实现飞秒量级的成像。传统的机械方法或电子设备已经无法满足该过程的需求。电子相机的时间分辨能力取决于控制电路的响应速度，目前处于纳秒(10^-9s)水平，而且很难再继续提高。使用分幅相机的方法成像，可进一步提高时间分辨率，但时间分辨能力仍然有限，仍未突破皮秒(10^-12s)水平，而且成像帧数有限。

传统的飞秒量级检测技术，无法实现连续检测。泵浦探测技术是一种具有飞秒量级时间分辨力的探测技术，在实验中，为了完整记录探测对象的整个变化过程，需要通过多次重复实验，每次选取一个不同的时刻进行拍摄检测，最后按照时间顺序将多次重复拍摄的光谱图拼凑在一起，从而还原探测对象的动态连续变化过程。由于每次实验不可能做到完全重复，所以这种方法存在误差，而且对于不具备重复实验条件的过程，无法进行连续观测。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有光谱检测手段时间分辨率低、无法对间隔飞秒到皮秒量级的过程进行多帧连续光谱探测、难以满足科研和生产需要的问题，提出一种多频脉冲序列超快激光连续光谱检测装置及方法，该方法能够达到飞秒量级时间分辨率且可以进行多帧数连续拍摄光谱检测。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

多频脉冲序列超快激光连续光谱检测方法：超快脉冲激光器产生的超快激光脉冲通过多频脉冲序列产生器后，变为同束多个不同频率脉冲组成的脉冲序列；光束通过观测对象后，将不同频率的脉冲序列从空间上分离出来，形成若干脉冲子光束，各个频率的脉冲子光束同时被收集，经过计算机处理后得到光谱图。

所述多频脉冲序列产生器，包括：分波片、时间延迟器和反射镜；

超快脉冲激光器产生的超快激光脉冲被分波片分成两束光，每束光均能够通过时间延迟器调整不同频率脉冲之间延迟时间；然后经过若干反射镜反射到合波片上，实现合束；

所述光束的光路上可根据需求选择是否加入倍频晶体；倍频晶体的作用是利用非线性晶体的二次非线性效应，使频率为ω的激光通过晶体后变为频率为2ω的倍频光；

所述分波片的数量可根据需求进行增加，即可以将激光脉冲分成两个或多个光路；

所述不同频率脉冲之间的延时可控；

所述时间延迟器由两个反射镜和电控平移台组成；

多频脉冲序列超快激光连续光谱检测装置，包括：超快脉冲激光器、多频脉冲序列产生器、脉冲分频器和CCD相机。

所述多频脉冲序列产生器包括：若干分波片、若干时间延迟器、若干反射镜、若干倍频晶体和若干合波片；

所述延时器由两个反射镜和电控平移台组成；

脉冲分频器包括棱镜或光栅；

多频脉冲序列超快激光连续光谱检测方法，实现步骤如下：

1)超快激光器其产生超短激光脉冲；

2)多频脉冲序列产生器通过原激光脉冲产生具有不同频率的多频脉冲序列，不同频率脉冲之间具有可控的时间间隔；

3)具有一定时间延迟间隔的多频脉冲序列通过被测物体，多个频率依次通过，由于不同频率之间存在一定时间间隔，从而可采集被测物体不同时刻的光谱信息；

4)使用脉冲分频器将多频脉冲序列中的不同频率成分分离成多束光束，即可将被测物体不同时刻的光谱信息分离提取；

5)使用CCD相机收集步骤4中分离出来的不同频率的光束，即可获得一系列不同时刻的光谱图像，从而实现超快连续光谱探测；

6)对光谱图像进行去除背景的处理，需要采集背景光；对步骤5)的光谱图像进行去除背景处理，得到最终清晰的图像。

有益效果

1.因为不同频率脉冲之间的时间间隔可通过时间延迟器精确调控，因此***能突破时间分辨能力的瓶颈，使得时间分辨能力提高到飞秒量级；

2.对一束超快激光脉冲进行分束，产生不同频率的脉冲再合束，从而组合产生不同频率的脉冲序列，能够实现连续光谱拍摄，可以对不具备重复实验条件的过程进行完整光谱拍摄检测；

3.可通过改变倍频晶体的数量和种类调控拍摄光谱波段和周期，通过调节分波片的数量调节分光束数量进而调节光谱的拍摄数量，利用时间延时器调整不同光束的延时控制不同频率的光谱的获取顺序；

4.使用多频脉冲序列代替普通脉冲序列，可检测不同频率波段在不同时间的光谱特性，同时可简化***，降低***成本，易于实现。

附图说明

图1是本发明专利的一个实施例的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的多频脉冲序列产生器示意图；

图3是本发明一个实施例的多频脉冲分频器示意图。

图中，1-超快激光器、2-多频脉冲序列产生器、3-观测对象、4-脉冲分频器、5-CCD相机、6-第一分波片、7-第一时间延迟器、8-第一反射镜、9-第一倍频晶体、10-第二反射镜、11-第二分波片、12-第二时间延迟器、13-第三反射镜、14-第二倍频晶体、15-第四反射镜、16-第一合波片、17-第二合波片、18-棱镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1

多频脉冲序列超快激光连续光谱检测方法：超快脉冲激光器产生的超快激光脉冲通过多频脉冲序列产生器后，变为同束多个不同频率脉冲组成的脉冲序列；光束通过观测对象后，将不同频率的脉冲序列从空间上分离出来，形成若干脉冲子光束，各个频率的脉冲子光束同时被收集，经过计算机处理后得到光谱图。

多频脉冲序列超快激光连续光谱检测装置，包括超快脉冲激光器1、多频脉冲序列产生器2、脉冲分频器4和CCD相机5。

所述多频脉冲序列产生器2所述多频脉冲序列产生器包括：第一分波片6、第一时间延迟器7、第一反射镜8、第一倍频晶体9、第二反射镜10、第二分波片11、第二时间延迟器12、第三反射镜13、第二倍频晶体14、第四反射镜15、第一合波片16、第二合波片17和棱镜18；

首先，超快脉冲激光器1产生超快激光脉冲后通过其后多频脉冲序列产生器2，多频脉冲序列产生器2的工作过程是：脉冲光束通过第一分波片6分成两束光路，其中透过第一分波片6的一束经过第二分波片11再被分成两束，其中一束经过第二时间延迟器12，通过调整第二时间延迟器12中两面反射镜间的距离调整延时，通过第三反射镜13，再通过第二倍频晶体14进行倍频，经过第四反射镜15到达第一合波片16，与透过第二分波片11的光束合波，由第一分波片6反射出的另一束光路经过第一时间延迟器7，同样通过调整第一时间延迟器7中的两面反射镜距离调整延时，经过第一反射镜8到达第一倍频晶体9，经过倍频的光束经过第二反射镜10到达第二合波片17与其他脉冲一起形成多频脉冲组成的脉冲序列，且不同频率脉冲间的传播顺序利用第一时间延时器7和第二时间延迟器12共同控制，具体方法为：通过电控平移台调节两个反射镜的前后位置，可以增加或减少该光路的光程，当光程增加到比其他光路长时，该路脉冲在组成脉冲序列时就成为最后的子脉冲，当光程减小到比其他光路短时，该路脉冲在组成脉冲序列时就成为最前面的子脉冲，通过多束分光和倍频、差频组合，可以引入更多频率的超快激光脉冲，从而进一步增加多频脉冲序列中的子脉冲数量；其后，多频脉冲序列通过观测对象3；其后，通过脉冲分频器4，将不同频率的脉冲从多频脉冲序列中分离出来；最后，各个频率的脉冲光束被CCD相机5收集，经过计算机处理后得到光谱图像。

多频脉冲序列超快激光连续光谱检测方法，步骤如下：

1)首先将超快脉冲激光器1产生超快激光脉冲，严格控制脉冲能量，防止脉冲能量太大，对探测结果造成干扰。本实施例中，超快脉冲激光器产生脉冲中心波长为1064nm；

2)多频脉冲序列产生器2的作用是将原激光脉冲的频谱进行扩展，产生多频脉冲序列，并使不同的频率脉冲之间具有可控的时间间隔，如图2所示；

第一分波片6将超快激光分出一束进入第一时间延迟器7，调节第一时间延迟器7中两个反射镜的距离，控制其与其他脉冲之间的延迟，达到100fs，再通过第一反射镜8进入第一倍频晶体9(二倍频晶体)产生中心波长为532nm的超快激光脉冲，记为λ₃，然后通过第二反射镜10和第二合波片17与其他脉冲一起形成脉冲序列；同时，第二分波片11分出的另一束激光经过第二时间延迟器12，调节第二时间延迟器12中两个反射镜的距离，调整时间延时为100fs，经过第三反射镜13，进入第二倍频晶体14(三倍频晶体)，从而产生中心波长为354nm的超快激光脉冲，记为λ₂，然后通过第四反射镜15和第一合波片16，与透过第一分波片6和第二分拨片11的脉冲λ₁形成脉冲序列，脉冲传播的顺序依次为λ₁、λ₂和λ₃,脉冲延迟均为100fs；

3)上述多频脉冲通过被测物体。被测物体具有变化的电子动态，不同的电子密度对光的吸收程度不同。多个频率依次通过，由于不同频率之间具有一定的时间间隔，而且可通过脉冲延时器灵活控制不同频率脉冲的时间顺序，从而可采集被测物体不同时刻的不同光谱吸收信息；

4)脉冲分频器用于将通过被测物体的多频脉冲序列分频成多个不同频率的光束，为CCD光谱探测提供条件；图3展示了一种脉冲分频器。通过棱镜的色散效应将中心波长为1064nm、532nm和354nm的超快激光脉冲在空间上分开；使用CCD相机，测量上述分离出来的具有一定时间间隔的三束脉冲光束，从而可以同时探测这三个频率的光谱；

5)对图像进行去除背景的处理，需要采集背景光，步骤是将观察对象移开，其余光路与图1相同。使用相同的步骤采集得到背景图像，对步骤4)的光谱图像进行去除背景处理，即可得到最终光谱。

6)调整步骤2)中所述第一时间延迟器7和第二时间延迟器12中反射镜的前后位置，使得λ₃经过的光程介于λ₁和λ₂之间，即控制脉冲传播次序为λ₁、λ₃和λ₂，然后重复步骤3)、4)和5)，得到不同于上述操作过程的光谱结果。

7)调整步骤2)中所述第一时间延迟器7和第二时间延迟器12中反射镜的前后位置，使得λ₁、λ₂和λ₃的延时分别为0fs、100fs和200fs，然后重复步骤3)、4)和5)，得到不同于上述操作过程的光谱结果。

8)调整步骤2)中所述第一时间延迟器7和第二时间延迟器12中反射镜的前后位置，使得脉冲传播次序为λ₃、λ₂和λ₁，同时控制时间延迟分别为0fs、100fs和200fs，再一次得到不同于上述操作过程的光谱结果。

综上，该方法是一种能够达到飞秒量级时间分辨率且可以多帧数连续拍摄的光谱探测手段。与已有的方法相比，该方法能突破时间分辨能力的瓶颈，使得时间分辨能力提高到飞秒量级；且能够实现多帧光谱连续拍摄，可以对不具备重复实验条件的过程进行完整光谱拍摄；且拍摄周期及拍摄数量可控调节；且该方法使用多频脉冲序列代替普通脉冲序列，可同时检测不同频率波段不同时刻的光谱特性，而且可简化***，降低***成本。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.多频脉冲序列超快激光连续光谱检测方法，其特征在于：超快脉冲激光器产生的超快激光脉冲通过多频脉冲序列产生器后，变为同束多个不同频率脉冲组成的脉冲序列；光束通过观测对象后，将不同频率的脉冲序列从空间上分离出来，形成若干脉冲子光束，各个频率的脉冲子光束同时被收集，经过计算机处理后得到光谱图。

2.如权利要求1所述的多频脉冲序列超快激光连续光谱检测方法，其特征在于：所述多频脉冲序列产生器，包括：分波片、时间延迟器和反射镜；

超快脉冲激光器产生的超快激光脉冲被分波片分成两束光，每束光均能够通过时间延迟器调整不同频率脉冲之间延迟时间；然后经过若干反射镜反射到合波片上，实现合束。

3.如权利要求2所述的多频脉冲序列超快激光连续光谱检测方法，其特征在于：所述每光束的光路上可以设置倍频晶体也可以不设置。

4.如权利要求2所述的多频脉冲序列超快激光连续光谱检测方法，其特征在于：所述分波片的数量根据需求进行增加或减少，即能够将激光脉冲分成两个或多个光路。

5.如权利要求2所述的多频脉冲序列超快激光连续光谱检测方法，其特征在于：所述不同频率脉冲之间的延时可控。

6.如权利要求2所述的多频脉冲序列超快激光连续光谱检测方法，其特征在于：所述时间延迟器由两个反射镜和电控平移台组成，通过电控平移台调整两个反射镜的前后位置，进而控制延迟时间。

7.多频脉冲序列超快激光连续光谱检测装置，其特征在于：包括：超快脉冲激光器、多频脉冲序列产生器、脉冲分频器和CCD相机；

所述多频脉冲序列产生器包括：若干分波片、若干时间延迟器、若干反射镜、若干倍频晶体和若干合波片；所述延时器由两个反射镜和电控平移台组成；超快脉冲激光器产生的超快激光脉冲通过多频脉冲序列产生器的分波片、时间延迟器、反射镜和倍频晶体后，形成多个不同频率脉冲组成的脉冲序列，再经过多频脉冲序列产生器的合波片合成同束；光束通过观测对象后，按照频率被脉冲分频器分离出若干束，形成若干脉冲子光束，各个频率的脉冲子光束同时被CCD相机收集，经过计算机处理后得到光谱图。

8.如权利要求7所述装置，其特征在于：所述脉冲分频器包括棱镜或光栅。

9.如权利要求7所述装置，其特征在于：检测步骤如下：

1)超快激光器其产生超短激光脉冲；

2)多频脉冲序列产生器通过原激光脉冲产生具有不同频率的多频脉冲序列，不同频率脉冲之间具有可控的时间间隔；

3)具有一定时间延迟间隔的多频脉冲序列通过被测物体，多个频率依次通过，由于不同频率之间存在一定时间间隔，从而可采集被测物体不同时刻的光谱信息；

4)使用脉冲分频器将多频脉冲序列中的不同频率成分分离成多束光束，即可将被测物体不同时刻的光谱信息分离提取；

5)使用CCD相机收集步骤4中分离出来的不同频率的光束，即可获得一系列不同时刻的光谱图像，从而实现超快连续光谱探测；

6)对光谱图像进行去除背景的处理，需要采集背景光；对步骤5)的光谱图像进行去除背景处理，得到最终清晰的图像。