CN111750989A - 多尺度时间分辨光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多尺度时间分辨光谱仪，包括光源模块和样品室，从光源模块到样品室的光路上依次设置有分束器，调制器、放大器和光产生模块，所述光产生模块包括泵浦光产生模块和探测光产生模块，所述调制器到泵浦光产生模块或探测光产生模块之间的光路上设置有光学延时模块，所述光源模块和调制器之间设置有电子延时模块，本发明光学延时和电子学延时结合，可以实现飞秒到毫秒多时间尺度的时间延时，完成多尺度时间分辨光谱测量，得到从微观到宏观时间分辨光谱，本发明可以在同一套装置上实现，节约了成本，提高了数据采集效率和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及光谱仪，具体涉及一种多尺度时间分辨光谱仪。
背景技术
在物理、化学、生物、材料等领域，需要了解事物在受到外界激励又称为泵浦的情况下，探测事物本身状态随时间产生的变化，也就是通过时间分辨的方法，研究事物的动力学演化，比如研究太阳能电池材料、发光二极管、光催化、二维材料、光合作用等体系在光学泵浦脉冲激发后，体系的分子结构、载流子能量、声子温度等物理、化学参数随时间发生的动力学变化。时间分辨光谱，从时间尺度来说，几个飞秒到几十纳秒时间尺度的时间分辨光谱可以通过光学延时的方法在同一套装置中实现，受光学延时方法的限制，1纳秒就需要延迟线移动30厘米的光程，所以一般最长只能到几十纳秒(10纳秒对应3米的光程)的延时，满足不了研究较大时间尺度范围的动力学的需求，用两套时间分辨***的话会造成研究成本高昂，也限制了研究的效率和准确性。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种多尺度时间分辨光谱仪，解决单一的光学延时光谱仪无法满足较大时间尺度范围的动力学研究的需求，两套***成本高，效率和准确性低的问题。
技术方案：本发明所述的多尺度时间分辨光谱仪，包括光源模块和样品室，从光源模块到样品室的光路上依次设置有分束器，调制器、放大器和光产生模块，所述光产生模块包括泵浦光产生模块和探测光产生模块，所述调制器到泵浦光产生模块或探测光产生模块之间的光路上设置有光学延时模块，所述光源模块和调制器之间设置有电子延时模块，所述光源模块产生激光后经过分束器分束，分成多束的光分别经过调制器处理成不同重复频率的种子光，不同重复频率的种子光分别经过放大器放大形成多路激光脉冲，多路激光脉冲分别通过泵浦光产生模块和探测光产生模块输出相应的光信号，通过电子延时模块触发泵浦光和探测光的调制器，实现不同时刻的种子光注入放大器，结合光学延时模块改变泵浦光和探测光到达样品的光程差，实现控制泵浦光和探测光到达样品的时间差。
其中，还包括探测器和数据采集模块，所述探测器接收经过样品的探测光，所述数据采集模块与探测器信号连接，采集不同延时下探测器输出的电压、电流、光子计数或光电子计数中的至少一种。
所述调制器包括泵浦光路调制器和探测光路调制器，所述放大器包括泵浦光路放大器和探测光路放大器。
所述光源模块为飞秒激光器或皮秒激光器。
所述调制器为声光调制器或电光调制器。
所述放大器为光纤放大器、再生放大器或碟片激光放大器。
所述分束器为光纤分束器、分束镜的至少一种。
所述电子延时模块为脉冲延时发生器电路。
有益效果：本发明光学延时和电子学延时结合，可以实现飞秒到毫秒多时间尺度的时间延时，完成多尺度时间分辨光谱测量，得到从微观到宏观时间分辨光谱，本发明可以在同一套装置上实现从飞秒、皮秒、纳秒、微秒到毫秒的多尺度时间分辨光谱，节约了成本，提高了数据采集效率和准确性。
附图说明
图1是实施例1的结构示意图；
图2是实施例2的结构示意图；
图3是实施例3的结构示意图；
图4是实施例4的结构示意图；
图5是实施例5的结构示意图；
图6是实施例6的结构示意图；
图7是实施例7的结构示意图；
图8是实施例8的结构示意图；
图9是实施例9的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明进行进一步说明。
实施例1
如图1所示，本实施例公开的多尺度时间分辨光谱仪包括一路泵浦光和一路探测光，光谱仪包括光源模块、分束器、调制器1、调制器2、放大器1、放大器2、泵浦光产生模块、探测光产生模块、延时模块、样品室和数据采集模块，光源模块产生指定波长的激光，可采用飞秒激光器***或皮秒激光器***，包括振荡器和放大器；分束器设置在光源之后，对光源输出的激光进行分束，将激光分成两束，可以采用光纤分束器、分束镜或其他分束光学元件；调制器1和调制器2分别设置在分束后的两路上，控制不同时刻的光又称为种子光注入后面放大器模块，可以实现不同的激光重复频率，调制器是声光调制器或电光调制器；放大器1和放大器2分别设置在调制器1和调制器2后，用于放大输入的种子光，实现高功率的激光脉冲，放大器可以是光纤放大器、再生放大器或碟片激光放大器；泵浦光产生模块设置在放大器1后，用于对激光进行光学处理，输出需要的泵浦光，泵浦光可以是放大器直接输出的光，可以是放大器输出的光泵浦非线性晶体，如LiB3O5,β-BaB2O4,LiNbO3等晶体，可以是放大器泵浦一台光参量放大器输出的波长可调谐激光，可以是放大器输出的光泵浦材料产生超连续白光或其他波段的光；探测光产生模块设置在另一路放大器模块后，用于对激光进行光学处理，输出需要的探测光信号，探测光信号可以是放大器直接输出的光，可以是放大器输出的光泵浦非线性晶体，如LiB3O5,β-BaB2O4,LiNbO3等晶体，可以是放大器泵浦一台光参量放大器输出的波长可调谐激光，可以是放大器输出的光泵浦材料产生超连续白光或其他波段的光；延时模块包含光学延时模块和电子延时模块，光学延时模块可以设置在泵浦光光路中调制器1和样品之间的任意位置，也可以设置在探测光光路中调制器2和样品的任意位置，通过改变泵浦光和探测光到达样品的光程差，产生和控制延时，一般可以从几十个阿秒到几十个纳秒。电子延时模块可以通过电子学方法触发泵浦光和探测光的调制器模块，实现选择不同时刻的种子光注入放大器，实现控制泵浦光和探测光到达样品的时间差，可以实现纳秒到毫秒的延时控制，电子延时模块可以是脉冲延时发生器电路。比如，只需要测量几十纳秒之内的瞬态吸收光谱，只需要固定电子延时模块同步，通过光学延时模块控制延时。如果需要测量时间尺度更大的过程，就同时启用光学延时模块和电子延时模块。以光源模块重复频率是80MHz为例，最近的两个种子光时间差是12.5纳秒。以泵浦光的种子光为基准，通过电子学延时触发探测光的调制器模块，选择不同的种子光注入，就可以实现最小间隔12.5纳秒，最大间隔到100微秒或者是10毫秒的时间差。最终的时间差是光学延时模块和电子延时模块综合的延时，实现从几十阿秒到毫秒的延时产生和控制；样品室用于放置待测样品，泵浦光经过样品后，将样品从基态激发到激发态，探测光再经过样品，然后进入探测器；数据采集模块通过控制延时模块的控制，采集不同延时下探测器输出的电压、电流、光子计数、光电子计数、光谱仪输出的光谱信号中的一种或多种，记录数据。
实施例2
如图2所示，本实施例公开的多尺度时间分辨光谱仪有2个探测光模块和2个光学延时模块，探测光由探测光1和探测光2构成，探测光1设置在放大器2后，探测光1可以是窄线宽激光产生模块，探测光2设置在放大器3后用于产生窄脉冲激光。
延时模块包含光学延时模块和电子延时模块，光学延时模块包含2个光学延时模块：第1个光学延时模块1设置在泵浦光光路中调制器和样品之间任意位置上，通过改变泵浦光和两路探测光之间的光程差，产生和控制延时，一般可以从几十个阿秒到几十个纳秒；第2个光学延时模块2设置在探测光1产生模块和探测光2产生模块的任意一路光路中调制器和样品之间的任意位置，通过改变探测光1和探测光2到达样品的光程差，实现两者之间的延时，保证在样品上产生信号过程。电子延时模块可以通过电子学方法触发泵浦光和两路探测光的调制器模块，选择不同时刻的种子光注入放大器，实现同步。电子延时模块可以是脉冲延时发生器电路，需要测量几十纳秒之内的时间分辨吸收/反射光谱，只要固定电子延时模块同步，通过光学延时模块2控制探测光1产生模块和探测光2模块产生信号，通过光学延时模块1实现泵浦和探测光的延时，如果需要测量时间尺度更大的过程，就同时启用光学延时模块和电子延时模块。以光源模块重复频率是80MHz为例，最近的两个种子光时间差是12.5纳秒。以泵浦光的种子光为基准，通过电子学延时触发探测光的调制器模块，选择不同的种子光注入，就可以实现最小间隔12.5纳秒，最大间隔到100微秒或者是10毫秒的时间差。最终的时间差，是光学延时模块和电子延时模块综合的延时，实现从几十阿秒到毫秒的延时产生和控制。
实施例3
如图3所示，本实施例公开的多尺度时间分辨光谱仪与实施例2的区别是2路探测光是由一路放大器模块和探测光1模块和探测光2模块构成，可以节省一个调制器与放大器，光路更加简洁。
实施例4
如图4所示，本实施例公开的是两路泵浦光和一路探测光的多尺度时间分辨光谱仪，与实施例2不同的地方在于3个放大器中有2个放大器后面接的是泵浦光1和泵浦光2模块。
实施例5
如图5所示，本实施例公开的是两路泵浦光和一路探测光的多尺度时间分辨光谱仪，与实施例4不同的地方，2路泵浦光是由一路放大器模块和泵浦光1模块和泵浦光2模块构成，可以节省一个调制器与放大器，光路更加简洁。
实施例6
如图6所示，本实施例公开的是两路泵浦光和两路探测光的多尺度时间分辨光谱仪，与实施例2相比，多了一个放大器、一个泵浦光模块和一个光学延时模块。
延时模块包含光学延时模块和电子延时模块，光学延时模块包含3个光学延时模块：第1个光学延时模块1设置在泵浦光1产生模块光路中调制器和样品之间任意位置上，第2个光学延时模块2设置在泵浦光2产生模块光路中调制器和样品之间任意位置上，通过改变光学延时1和光学延时2，产生和控制两路泵浦光之间的延时，同时产生和控制2路泵浦光和和两路探测光之间的延时，第3个光学延时模块3设置在探测光1产生模块光路中调制器和样品之间的任意位置，产生和控制2路探测光之间的延时，3路光学延时模块也可以1路在泵浦光光路中，2路在探测光光路中，分别实现2路泵浦光之间、2路探测光之间，以及泵浦光和探测光之间的延时。电子延时模块功能与实施例2中的类似。
实施例7
如图7所示，本实施例公开的是两路泵浦光和两路探测光的多尺度时间分辨光谱仪，与实施例6相比，4个放大器模块改为3个放大器模块，放大器1模块后连有2个泵浦光模块；光学延时1可以放置在泵浦光路中调制器1和放大器1之间或者放大器1和2路泵浦光之间，可以节约1个放大器模块，光路更简洁。
实施例8
如图8所示，本实施例公开的是两路泵浦光和两路探测光的多尺度时间分辨光谱仪，与实施例6相比，4个放大器模块改为3个放大器模块，放大器3模块后连有2个探测光模块；光学延时2可以放置在探测光路中调制器3和放大器3之间或者放大器3和2路探测光之间，可以节约1个放大器模块，光路更简洁。
实施例9
如图9所示，本实施例公开的是的两路泵浦光和两路探测光的多尺度时间分辨光谱仪，与实施例6相比，4个放大器模块改为2个放大器模块，每一个放大器模块后连有2个泵浦光或者2个探测光模块，可以节约2个放大器模块，光路更简洁，光学延时1可以放置在泵浦光路或者探测光路中调制器和放大器之间或者放大器和2路泵浦光或者2路探测光之间。
Claims (8)
1.一种多尺度时间分辨光谱仪，其特征在于，包括光源模块和样品室，从光源模块到样品室的光路上依次设置有分束器，调制器、放大器和光产生模块，所述光产生模块包括泵浦光产生模块和探测光产生模块，所述调制器到泵浦光产生模块或探测光产生模块之间的光路上设置有光学延时模块，所述光源模块和调制器之间设置有电子延时模块，所述光源模块产生激光后经过分束器分束，分成多束的光分别经过调制器处理成不同重复频率的种子光，不同重复频率的种子光分别经过放大器放大形成多路激光脉冲，多路激光脉冲分别通过泵浦光产生模块和探测光产生模块输出相应的光信号，通过电子延时模块触发泵浦光和探测光的调制器，实现不同时刻的种子光注入放大器，结合光学延时模块改变泵浦光和探测光到达样品的光程差，实现控制泵浦光和探测光到达样品的时间差。
2.根据权利要求1所述的多尺度时间分辨光谱仪，其特征在于，还包括探测器和数据采集模块，所述探测器接收经过样品的探测光，所述数据采集模块与探测器信号连接，采集不同延时下探测器输出的电压、电流、光子计数、光电子计数、光谱仪输出的光谱信号中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的多尺度时间分辨光谱仪，其特征在于，所述调制器包括泵浦光路调制器和探测光路调制器，所述放大器包括泵浦光路放大器和探测光路放大器。
4.根据权利要求1所述的多尺度时间分辨光谱仪，其特征在于，所述光源模块为飞秒激光器或皮秒激光器。
5.根据权利要求1所述的多尺度时间分辨光谱仪，其特征在于，所述调制器为声光调制器或电光调制器。
6.根据权利要求1所述的多尺度时间分辨光谱仪，其特征在于，所述放大器为光纤放大器、再生放大器或碟片激光放大器。
7.根据权利要求1所述的多尺度时间分辨光谱仪，其特征在于，所述分束器为光纤分束器、分束镜中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的多尺度时间分辨光谱仪，其特征在于，所述电子延时模块为脉冲延时发生器电路。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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