CN112285036B - 降频同步超快瞬态吸收测试*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及样品光学检测领域，具体地说是一种降频同步超快瞬态吸收测试***，脉冲激光光源发出的光束经分束片分成探测光束和泵浦光束，探测光束经白光发生装置后聚焦于被测试样品，透射过被测试样品的探测光束聚焦后射入光谱仪中，光谱仪、信号采集卡和控制***依次串联，泵浦光束经过斩波器和回射器后射入激光波长变换装置中，且激光波长变换装置射出的光束聚焦于被测试样品上与探测光束重合位置处，脉冲激光光源和斩波器分别与斩波器控制器相连，斩波器控制器、数字延迟脉冲发生器、信号采集卡依次串联，且数字延迟脉冲发生器输出信号频率为斩波器输出光束频率2倍。本发明可实现降频同步获得高信噪比的超快瞬态吸收测试结果。
Description
技术领域
本发明涉及样品光学检测领域，具体地说是一种降频同步超快瞬态吸收测试***。
背景技术
在一般的超快瞬态吸收测试***中，脉冲激光器产生光谱中心为800nm、重复频率为1kHz的脉冲激光，经分束***分为2束，分别为泵浦光束与探测光束，其中探测光束经非线性***扩展至所需要的探测波长，泵浦光束利用非线性效应改变波长至样品的特征吸收峰。在测试过程中，泵浦光束经过斩波器后降频为500Hz，泵浦光束在传播过程中经过线性平移台，该线性平移台可以改变泵浦光到达被测试样品的光程，探测光束与泵浦光束重合于被测试样品，光谱仪接收透过被测试样品的探测光束，超快瞬态吸收测试结果可表示为:
其中为被测试样品被泵浦光束脉冲激发情况下透射过被测试样品的探测光束光强度，/>为被测试样品在无泵浦光束脉冲激发情况下透射过被测试样品的探测光束光强度。测试过程中，同步模块通过采集斩波器的相位信息，并结合探测光束的相位信息，使数据采集与处理模块获得泵浦光束激发被测试样品情况，从而准确获得光谱仪收集的每个透射探测光束脉冲透射过被测试样品时样品所受激发光束的激发情况。
但在某些测量情况下，被测试样品对探测光束的透过率极低，采用一般的超快瞬态吸收测试方法，每个测量阶段光谱仪只能收集透射探测光束一个脉冲的光强信息，这使得光谱仪接收到的透射探测光束光强极低，通过超快瞬态吸收信号强度计算公式可知获得的超快瞬态吸收信号强度极低，信噪比很差，这严重影响了实验精度与实验准确性，同时由于信号量过小，需采用多次测量求平均的方法来消除噪声影响，这使得测试周期大大加长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种降频同步超快瞬态吸收测试***，当被测试样品对探测光束透过率极低时，可以实现降频同步，在时间上对探测光束进行积分，在不改变原始激光***的前提下，获得高信噪比的超快瞬态吸收测试结果，测量精度高，测试周期短。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种降频同步超快瞬态吸收测试***，包括脉冲激光光源、分束片、白光发生装置、光谱仪、斩波器、斩波器控制器、线性平移台、回射器、激光波长变换装置、数字延迟脉冲发生器、信号采集卡和控制***，脉冲激光光源发出的光束经分束片后分成探测光束和泵浦光束，其中探测光束经过白光发生装置后聚焦于被测试样品处，透射过被测试样品的探测光束聚焦后入射至光谱仪中，所述光谱仪、信号采集卡和控制***通过线路依次串联，泵浦光束经过斩波器以及设于线性平移台上的回射器后射入激光波长变换装置中，且所述激光波长变换装置射出的光束聚焦于被测试样品上与所述探测光束重合位置处，所述脉冲激光光源和斩波器分别通过线路与斩波器控制器相连，所述斩波器控制器、数字延迟脉冲发生器、信号采集卡通过线路依次串联，且数字延迟脉冲发生器输出信号频率为斩波器输出光束频率2倍。
探测光束经第一反射镜反射后射入白光发生装置，且由所述白光发生装置射出的光束依次经第一凹面镜、第二反射镜、第二凹面镜反射后聚焦于被测试样品处。
透射过被测试样品的探测光束依次经第三凹面镜反射和第一聚焦镜聚焦后入射至光谱仪中。
泵浦光束射入斩波器中，且斩波器输出的光束经第三反射镜反射射入设于线性平移台上的回射器中，由所述回射器平行反方向射出的光束经第四反射镜反射射入激光波长变换装置。
所述激光波长变换装置射出的光束依次经过第五反射镜和第二聚焦镜后聚焦于被测试样品上与所述探测光束重合位置处。
所述白光发生装置包括沿着光束传播方向呈直线排列的线性滤光片、孔径光阑、聚焦镜和蓝宝石晶体。
所述激光波长变换装置包括沿着光束传播方向呈直线排列的半波片、倍频晶体、格兰棱镜和高反镜。
探测光束焦点落在被测试样品上，泵浦光束焦点位于被测试样品后方。
透射过被测试样品的泵浦光束被一个遮光板遮挡拦截。
本发明的优点与积极效果为：
1、本发明当被测试样品对探测光束透过率极低时，可以实现降频同步，使光谱仪可以完整采集在斩波器输出的泵浦光束激发下透射过被测试样品的探测光束的时间积分信号，在不改变原始激光***的前提下，获得高信噪比的超快瞬态吸收测试结果，测量精度高，测试周期短。
2、本发明可以根据需要利用线性平移台驱动回射器直线移动，进而改变泵浦光束的光程。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，
图2为图1中的白光发生装置示意图，
图3为图1中的激光波长变换装置示意图，
图4为探测光束经白光发生装置光谱展宽时的示意图，
图5为泵浦光束经斩波器4倍降频时的频率示意图，
图6为泵浦光束经斩波器8倍降频时的频率示意图，
图7为信号采集卡在泵浦光束4倍降频时的采集频率示意图，
图8为信号采集卡在泵浦光束8倍降频时的采集频率示意图，
图9为本发明4倍降频和8倍降频时的信号采集卡采集频率与原始激光频率的完整比对示意图。
其中，1为脉冲激光光源，2为分束片，3为第一反射镜，4为第二反射镜，5为第三反射镜，6为第四反射镜，7为第五反射镜，8为第一凹面镜，9为第二凹面镜，10为第三凹面镜，11为白光发生装置，111为线性滤光片，112为孔径光阑，113为聚焦镜，114为蓝宝石晶体，12为被测试样品，13为第一聚焦镜，14为第二聚焦镜，15为光谱仪，16为斩波器，17为斩波器控制器，18为线性平移台，19为线性平移台控制器，20为回射器，21为激光波长变换装置，211为半波片，212为倍频晶体，213为格兰棱镜，214为高反镜，22为数字延迟脉冲发生器，23为信号采集卡，24为遮光板，25为控制***。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1～3所示，本发明包括脉冲激光光源1、分束片2、白光发生装置11、光谱仪15、斩波器16、斩波器控制器17、线性平移台18、回射器20、激光波长变换装置21、数字延迟脉冲发生器22、信号采集卡23、遮光板24、控制***25、多个反射镜、多个凹面镜和多个聚焦镜，脉冲激光光源1发出的光束经分束片2后分成探测光束和泵浦光束，其中如图1所示，探测管束经第一反射镜3反射后射入白光发生装置11，且由所述白光发生装置11射出的光束依次经第一凹面镜8、第二反射镜4、第二凹面镜9反射后聚焦于被测试样品12处，其中探测光束经第一凹面镜8反射准直为平行光束，经第三凹面镜9反射聚焦到被测试样品12处，且聚焦光束焦点恰好落在被测试样品12上，透射过被测试样品12的探测光束经第三凹面镜10反射准直为平行光束，再经第一聚焦镜13聚焦后入射至光谱仪15中，所述光谱仪15、信号采集卡23和控制***25通过线路依次串联。
如图1所示，泵浦光束射入斩波器16中，且斩波器16输出的光束经第三反射镜5反射射入设于线性平移台18上的回射器20中，由所述回射器20平行反方向射出的光束经第四反射镜6反射射入激光波长变换装置21，由所述激光波长变换装置21射出的光束依次经过第五反射镜7和第二聚焦镜14后聚焦于被测试样品12上与所述探测光束重合位置处，且其焦点位于被测试样品12后方3cm处，并且被测试样品12上的泵浦光束光斑大小为探测光束光斑大小的2倍至2.5倍，透射过被测试样品12的泵浦光束经遮光板24遮挡拦截。
如图1所示，所述脉冲激光光源1和斩波器16分别通过线路与斩波器控制器17相连，所述斩波器控制器17、数字延迟脉冲发生器22、信号采集卡23通过线路依次串联。如图1所示，所述线性平移台18通过配套的线性平移台控制器19控制。
如图2所示，所述白光发生装置11包括沿着光束传播方向呈直线排列的线性滤光片111、孔径光阑112、聚焦镜113和蓝宝石晶体114，其中线性滤光片111用于衰减激光能量，孔径光阑112用于调节光束截面大小，聚焦镜113将入射的平行探测光束聚焦，且焦点恰好落在蓝宝石晶体114上，蓝宝石晶体114将中心波长为800nm的光束展宽为波长范围为430nm～1100nm的宽谱激光光束。所述线性滤光片111、孔径光阑112、聚焦镜113和蓝宝石晶体114均为本领域公知技术且为市购产品。
如图3所示，所述激光波长变换装置21包括沿着光束传播方向呈直线排列的半波片211、倍频晶体212、格兰棱镜213和高反镜214。所述半波片211、倍频晶体212、格兰棱镜213和高反镜214均为本领域公知技术且为市购产品。
本发明的工作原理为：
本发明工作时，脉冲激光光源1射出光谱中心为800nm、重复频率为1kHz的脉冲激光，并经分束片2分为2束，其中反射光束为探测光束，透射光束为泵浦光束。
所述探测光束经过白光发生装置11时实现光谱展宽，白光发生装置11将中心波长为800nm展宽为波长范围为430nm～1100nm的宽谱激光光束，其展宽示意图如图4所示，展宽后的探测光束经第一凹面镜8、第二反射镜4和第二凹面镜9后最终聚焦于被测试样品12上，且焦点恰好位于被测试样品12上。
泵浦光束经过斩波器16时降频，降频后的泵浦光束在斩波器16透射状态下连续输出脉冲光束，且光束时间间隔为1ms（重复频率为1kHz的原始脉冲激光的脉冲周期），在斩波器16遮挡状态下无激光输出，其斩波降频结果如图5～6所示，其中图5为4倍降频时的示意图，图6为8倍降频时的示意图，降频后的泵浦光束入射至固定在线性平移台18的可移动平台上的回射器20中，所述线性平移台18通过线性平移台控制器19控制具有直线方向的运动量，所述回射器20可以将入射光束以位置平行方向相反的方式进行反射，所述线性平移台18的可移动平台带动所述回射器20在直线方向运动的过程中，可以改变泵浦光束的光程，经所述回射器20反射的泵浦光束经激光波长变化装置21改变波长至被测试样品12特征峰处，并最终聚焦至被测试样品12处，且焦点位于被测试样品12后方3cm处，使被测试样品12处泵浦光束光斑大小为探测光束被测试样品处光斑大小的2倍至2.5倍。
本发明的降频同步原理为：降频过程中，由脉冲激光光源1产生与原始激光脉冲同步的脉冲信号触发斩波器控制器17，斩波器控制器17控制斩波器16转速与相位，使得斩波器16可以如图5～6所示，以偶数倍的形式对原始1kHz脉冲光束进行降频，由图5～6可以看出，降频后的泵浦光束可以在斩波器16的透射状态下连续通过1个或多个脉冲，在斩波器16遮挡状态下无激光输出，且透射状态与遮挡状态具有相同的持续时间，斩波器控制器17同时也产生具有和斩波器16输出的降频后泵浦光束同频率的脉冲信号，并通过线路传至数字延迟脉冲发生器22，如图7～8所示，数字延迟脉冲发生器22则输出为所述斩波器16输出泵浦光束2倍频率的脉冲信号传输给信号采集卡23，在上升沿触发光谱仪15采集信号的情况下，光谱仪15受信号采集卡23控制在每一个采集周期只可以采集斩波器16输出的半个周期内的信号，也即如图7～8所示，每两次的上升沿出现的时间间隔内，光谱仪15可以完整采集在斩波器16输出的泵浦光束激发下透射过被测试样品12的探测光束的时间积分信号，或在每两次上升沿出现的时间间隔内，完整采集泵浦光束被斩波器16遮挡状态下，透射过被测试样品12的探测光束的时间积分信号。如图9所示，由于本发明采集的是透射过被测试样品12的探测光束在特定条件下的时间积分信号，那么在一次采集的过程中，就可以获得较大的信号量与较高的信噪比，使超快瞬态吸收实验在不改变原始1kHz脉冲激光光源的前提下，可以在被测试样品对探测光束透射率极低的情况下，获得准确且高精度的测试结果，节约测试时间。
本实施例中，所述光谱仪15的生产厂家为Avantas，型号为AvaSpec-ULS2048CL-EVO-RS；所述斩波器16及斩波器控制器17的生产厂家为New Focus，型号为3051 OpticalChopper；所述线性平移台18及线性平移台控制器19的生产厂家为Aerotech，型号为ALS10045-S-M-10-MT-LT45AS-CM；所述回射器20的生产厂家为PLX Inc.，型号为OW-25-3C；所述数字延迟脉冲发生器22的生产厂家为Stanford Research Systems, Inc.，型号为DG645；所述信号采集卡23的生产厂家为National Instruments，型号PCI-6602。
Claims (7)
1.一种降频同步超快瞬态吸收测试***，其特征在于：包括脉冲激光光源（1）、分束片（2）、白光发生装置（11）、光谱仪（15）、斩波器（16）、斩波器控制器（17）、线性平移台（18）、回射器（20）、激光波长变换装置（21）、数字延迟脉冲发生器（22）、信号采集卡（23）和控制***（25），脉冲激光光源（1）发出的光束经分束片（2）后分成探测光束和泵浦光束，其中探测光束经过白光发生装置（11）后聚焦于被测试样品（12）处，透射过被测试样品（12）的探测光束聚焦后入射至光谱仪（15）中，所述光谱仪（15）、信号采集卡（23）和控制***（25）通过线路依次串联，泵浦光束经过斩波器（16）以及设于线性平移台（18）上的回射器（20）后射入激光波长变换装置（21）中，且所述激光波长变换装置（21）射出的光束聚焦于被测试样品（12）上与所述探测光束重合位置处，所述脉冲激光光源（1）和斩波器（16）分别通过线路与斩波器控制器（17）相连，所述斩波器控制器（17）、数字延迟脉冲发生器（22）、信号采集卡（23）通过线路依次串联；
探测光束焦点落在被测试样品（12）上，泵浦光束焦点位于被测试样品（12）后方；
透射过被测试样品（12）的泵浦光束通过一个遮光板（24）遮挡拦截；
降频过程中，脉冲激光光源（1）产生与原始激光脉冲同步的脉冲信号触发斩波器控制器（17），斩波器控制器（17）控制斩波器（16）以偶数倍的形式对原始脉冲光束降频，降频后的泵浦光束在斩波器（16）的透射状态下连续通过1个或多个脉冲、在斩波器（16）遮挡状态下无激光输出，斩波器控制器（17）同时产生具有和斩波器（16）输出的降频后泵浦光束同频率的脉冲信号，并通过线路传至数字延迟脉冲发生器（22），数字延迟脉冲发生器（22）输出为所述斩波器（16）输出泵浦光束2倍频率的脉冲信号并传输给信号采集卡（23），光谱仪（15）受信号采集卡（23）控制在每一个采集周期内只采集斩波器（16）输出的半个周期内的信号，进而完整采集在斩波器（16）输出的泵浦光束激发下透射过被测试样品（12）的探测光束的时间积分信号。
2.根据权利要求1所述的降频同步超快瞬态吸收测试***，其特征在于：探测光束经第一反射镜（3）反射后射入白光发生装置（11），且由所述白光发生装置（11）射出的光束依次经第一凹面镜（8）、第二反射镜（4）、第二凹面镜（9）反射后聚焦于被测试样品（12）处。
3.根据权利要求1所述的降频同步超快瞬态吸收测试***，其特征在于：透射过被测试样品（12）的探测光束依次经第三凹面镜（10）反射和第一聚焦镜（13）聚焦后入射至光谱仪（15）中。
4.根据权利要求1所述的降频同步超快瞬态吸收测试***，其特征在于：泵浦光束射入斩波器（16）中，且斩波器（16）输出的光束经第三反射镜（5）反射射入设于线性平移台（18）上的回射器（20）中，由所述回射器（20）平行反方向射出的光束经第四反射镜（6）反射射入激光波长变换装置（21）。
5.根据权利要求1所述的降频同步超快瞬态吸收测试***，其特征在于：所述激光波长变换装置（21）射出的光束依次经过第五反射镜（7）和第二聚焦镜（14）后聚焦于被测试样品（12）上与所述探测光束重合位置处。
6.根据权利要求1所述的降频同步超快瞬态吸收测试***，其特征在于：所述白光发生装置（11）包括沿着光束传播方向呈直线排列的线性滤光片（111）、孔径光阑（112）、聚焦镜（113）和蓝宝石晶体（114）。
7.根据权利要求1所述的降频同步超快瞬态吸收测试***，其特征在于：所述激光波长变换装置（21）包括沿着光束传播方向呈直线排列的半波片（211）、倍频晶体（212）、格兰棱镜（213）和高反镜（214）。
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