CN113834791B - 一种泵浦光激发可分辨的飞秒瞬态吸收***及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种泵浦光激发可分辨的飞秒瞬态吸收***及测量方法，属于飞秒激光瞬态测试技术领域，包括探测光路，及依次电连接的激光器、斩波器、时序同步模块、光谱仪和上位机；激光器发出1kHz脉冲激光，经探测光路产生探测信号，激光器输出与脉冲激光同步的电信号，经斩波器变换为占空比50％的500Hz同步信号，时序同步模块在同步信号的触发下产生占空比50％的1kHz光谱仪开关信号，光谱仪在光谱仪开关信号的触发下测试探测信号，获得光谱数据，传输至上位机处理。本发明利用时序同步模块产生可辨别泵浦光激发的时序，触发光谱仪依次稳定测试有无泵浦光激发的探测光谱信息，并且测试成本大幅度降低。

Description

一种泵浦光激发可分辨的飞秒瞬态吸收***及测量方法

技术领域

本发明属于飞秒激光瞬态测试技术领域，具体涉及一种泵浦光激发可分辨的飞秒瞬态吸收***及测量方法。

背景技术

飞秒瞬态吸收技术是泵浦-探测技术的一种，利用光泵脉冲将样品激发到激发态，随后用探针脉冲监测激发态回到基态的弛豫过程。该技术中需要采用两个具有时间延迟的飞秒脉冲，其中，能量较高、时间较前的飞秒脉冲为泵浦光(pump)，能量较低、时间延后的飞秒脉冲为探测光(probe)，分别对样品分别进行激发和探测。

飞秒瞬态吸收***进行测试时会涉及复杂的时序信号，在对时序信号进行处理之前，需要准确区分该时序信号产生时是否有泵浦光激发。因此提出一种泵浦光激发可分辨的飞秒瞬态吸收***十分具有应用价值。目前已提出可以通过时序同步模块实现准确的时序控制，传统时序同步模块采用高速数据采集卡实时监测泵浦光及探测光信号，从而实现时序控制，而为判断所测量信号是否是泵浦光激发条件，通常采用有着较高的采样率的模拟数字转换器(Analog-to-digital converter，ADC)来实现，由此会产生过高的成本。因此需要提出一种低成本的泵浦光激发可分辨的飞秒瞬态吸收***。

发明内容

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种泵浦光激发可分辨的飞秒瞬态吸收***及测量方法，利用时序同步模块产生可辨别泵浦光激发的时序，以触发光谱仪依次测试有泵浦光激发、无泵浦光激发的探测光谱信息。

本发明具体技术方案如下：

一种泵浦光激发可分辨的飞秒瞬态吸收***，其特征在于，包括探测光路，及依次电连接的激光器、斩波器、时序同步模块、光谱仪和上位机；其中，时序同步模块采用外部中断上升沿触发模式；

一方面，激光器发出的1kHz脉冲激光经探测光路产生探测信号，传输至光谱仪待测试；另一方面，激光器输出的与脉冲激光同步的电信号，经斩波器变换为占空比50％的500Hz同步信号，传输至时序同步模块触发，时序同步模块在同步信号的触发下产生占空比50％的1kHz光谱仪开关信号，传输至光谱仪触发；光谱仪在光谱仪开关信号的触发下测试探测信号，获得光谱数据，传输至上位机处理。

进一步地，所述探测光路包括延迟线、分束镜、钛蓝宝石晶体和待测样品；激光器发出的1kHz脉冲激光经分束镜分为两束相干光，其中一束相干光通过钛蓝宝石晶体变为1kHz探测光，另一束相干光通过斩波器变换为500Hz泵浦光，泵浦光再通过延迟线与探测光之间形成光程差，之后与探测光共同入射待测样品，产生探测信号。

进一步地，所述飞秒瞬态吸收***还包括命令处理模块，上位机发送开启或关闭测试的命令至命令处理模块，命令处理模块处理后得到时序同步模块内部开关信号，传输至时序同步模块，时序同步模块在时序同步模块内部开关信号的控制下输出光谱仪开关信号，具体为：若时序同步模块内部开关信号为高电平，输出光谱仪开关信号为占空比50％的1kHz信号；否则，输出光谱仪开关信号为低电平。

进一步地，所述上位机还发送测试命令至光谱仪，以配置光谱仪测试参数。

进一步地，所述光谱仪开关信号中的每一个高电平触发光谱仪测试一个光谱数据，由于两个周期的光谱仪开关信号对应一个周期的同步信号，因此两个周期的光谱仪开关信号中，一个周期触发测得的光谱数据有泵浦光激发，另一个周期触发测得的光谱数据无泵浦光激发。

一种利用泵浦光激发可分辨的飞秒瞬态吸收***的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：激光器发出1kHz脉冲激光，经分束镜分为两束相干光，其中一束相干光通过钛蓝宝石晶体变为1kHz探测光，另一束相干光通过斩波器变换为500Hz泵浦光；泵浦光再通过延迟线时间延迟，使其与探测光之间形成光程差；

步骤2：探测光与延迟后的泵浦光入射至待测样品的同一位置，探测光透过待测样品产生探测信号，传输至光谱仪待测试；

步骤3：激光器在发出脉冲激光的同时，输出与脉冲激光同步的1kHz电信号，经斩波器变换为占空比50％的500Hz同步信号，传输至时序同步模块；时序同步模块在同步信号的触发下产生占空比50％的1kHz光谱仪开关信号；

步骤4：上位机发送开启或关闭测试的命令至命令处理模块，命令处理模块处理后得到时序同步模块内部开关信号，传输至时序同步模块；时序同步模块在时序同步模块内部开关信号的控制下输出光谱仪开关信号至光谱仪，具体为：若时序同步模块内部开关信号为高电平，输出光谱仪开关信号为占空比50％的1kHz信号；否则，输出光谱仪开关信号为低电平；

步骤5：上位机在发送开启或关闭测试的命令的同时，发送测试命令至光谱仪配置测试参数，之后光谱仪在光谱仪开关信号的触发下测试探测信号，获得光谱数据，传输至上位机处理。

本发明的有益效果为：

本发明提出了一种泵浦光激发可分辨的飞秒瞬态吸收***及测量方法，通过斩波器将与脉冲激光同步的电信号变换为与泵浦光同频率的同步信号，再利用时序同步模块产生可辨别泵浦光激发的时序，以触发光谱仪依次测试有泵浦光激发、无泵浦光激发的探测光谱信息，进而稳定获得泵浦光激发可分辨的光谱数据；并且相比于传统采用高速数据采集卡和ADC结合的方法，本发明获得泵浦光激发可分辨的光谱数据的成本有大幅度降低。

附图说明

图1为本发明实施例1提出的泵浦光激发可分辨的飞秒瞬态吸收***的结构图；

图2为本发明实施例1提出的命令处理模块和时序同步模块的实物图；

图3为本发明实施例1提及的时序信号图，其中，1代表与脉冲激光同步的电信号，2代表同步信号，3代表时序同步模块内部开关信号，4代表光谱仪开关信号。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，结合以下具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明。

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1

本实施例提供了一种泵浦光激发可分辨的飞秒瞬态吸收***，结构如图1所示，包括激光器、探测光路、斩波器、命令处理模块、时序同步模块、光谱仪和上位机，探测光路包括延迟线、分束镜、钛蓝宝石晶体和待测样品，时序同步模块采用外部中断上升沿触发模式；

其中，激光器、斩波器、时序同步模块、光谱仪和上位机依次电连接，上位机还通过命令处理模块电连接至命令处理模块，激光器与光谱仪之间依次设置有分束镜、钛蓝宝石晶体和待测样品，斩波器和待测样品之间设置有延迟线。

利用本实施例提供的泵浦光激发可分辨的飞秒瞬态吸收***的测试方法如下：

激光器发出1kHz脉冲激光，经分束镜分为两束相干光，其中一束相干光通过钛蓝宝石晶体变为1kHz白光，作为探测光，另一束相干光通过斩波器变换为500Hz泵浦光，泵浦光再通过延迟线与探测光之间形成光程差，光程差最大约2个ns，之后与探测光共同入射待测样品，探测光透过待测样品产生探测信号，传输至光谱仪待测试；

激光器输出与脉冲激光同步的1kHz电信号，经斩波器变换为占空比50％的500Hz同步信号，传输至时序同步模块触发，时序同步模块在同步信号的触发下产生占空比50％的1kHz光谱仪开关信号；

上位机发送开启或关闭测试的命令至命令处理模块，命令处理模块处理后得到时序同步模块内部开关信号，传输至时序同步模块，时序同步模块在时序同步模块内部开关信号的控制下输出光谱仪开关信号至光谱仪触发，具体为：若时序同步模块内部开关信号为高电平，输出光谱仪开关信号为占空比50％的1kHz信号；否则，输出光谱仪开关信号为低电平；与脉冲激光同步的电信号、同步信号、时序同步模块内部开关信号和光谱仪开关信号的时序信号图分别如图2中的1、2、3和4所示；

光谱仪开关信号中的高电平触发光谱仪测试光谱数据，由于两个周期的1kHz光谱仪开关信号对应一个周期的同步信号，因此两个周期的1kHz光谱仪开关信号中，一个周期触发测得的光谱数据有泵浦光激发，另一个周期触发测得的光谱数据无泵浦光激发；

上位机发送测试命令至光谱仪，以配置光谱仪测试参数，之后光谱仪在光谱仪开关信号的触发下测试探测信号，获得光谱数据，传输至上位机处理，处理过程如下：

将测得的每组数据做有泵浦光激发的信号减无泵浦光激发的信号的处理，得到一组处理数据；将通过相同延迟线时延的1000组处理数据做平均，并采用3维中值滤波，平滑***噪声，以消除***的偶然误差，根据各波长光到达时间相同的原则，矫正信号数据，消除啁啾效应影响。所得数据即可显示基态漂白峰、受激辐射峰等信号信息，可结合相应的物理模型得到能级、状态数等信息。进一步的，可以在数据上选择单个波长下不同时间延迟的信号，或选择单个时间延迟下不同波长的信号，由此可以分别将数据绘制为衰减曲线或瞬态光谱图，然后结合相应的模型得到载流子种类、寿命、复合途径等信息。

其中，命令处理模块和时序同步模块均采用Arduino UNO R3开发板实现，如图3所示，其中的微控制器为ATmega328P，对命令处理模块采用9V供电，对时序同步模块采用5V供电，时钟频率均为16MHz。使用时，为命令处理模块输入9V直流电源，并将命令处理模块上“5V”引脚与时序同步模块上“Vin”引脚相连，为时序同步模块供电。由于Arduino UNO R3板上内置串口通信芯片ATmega 16u2，上位机通过USB直接与命令处理模块相连，用于传输开启或关闭测试的命令。上位机发送“开始测试”命令后，命令处理模块通过数字I/O引脚与时序同步模块相连，向其发送时序同步模块内部开关信号，再由时序同步模块向光谱仪发出光谱仪开关信号，控制光谱仪完成测试，最终将光谱数据回传至上位机。

Claims (6)

1.一种泵浦光激发可分辨的飞秒瞬态吸收***，其特征在于，包括探测光路，及依次电连接的激光器、斩波器、时序同步模块、光谱仪和上位机；

激光器发出1kHz脉冲激光，经探测光路产生探测信号；激光器输出与脉冲激光同步的电信号，经斩波器变换为占空比50％的500Hz同步信号，时序同步模块在同步信号的触发下产生占空比50％的1kHz光谱仪开关信号；光谱仪在光谱仪开关信号的触发下测试探测信号，获得光谱数据，传输至上位机处理。

2.根据权利要求1所述泵浦光激发可分辨的飞秒瞬态吸收***，其特征在于，所述探测光路包括延迟线、分束镜、钛蓝宝石晶体和待测样品；激光器发出的1kHz脉冲激光经分束镜分为两束相干光，其中一束相干光通过钛蓝宝石晶体变为1kHz探测光，另一束相干光通过斩波器变换为500Hz泵浦光，泵浦光再通过延迟线与探测光共同入射待测样品，产生探测信号。

3.根据权利要求1所述泵浦光激发可分辨的飞秒瞬态吸收***，其特征在于，所述时序同步模块采用外部中断上升沿触发模式。

4.根据权利要求1所述泵浦光激发可分辨的飞秒瞬态吸收***，其特征在于，所述飞秒瞬态吸收***还包括命令处理模块，上位机发送开启或关闭测试的命令至命令处理模块，处理后得到时序同步模块内部开关信号，时序同步模块在时序同步模块内部开关信号的控制下输出光谱仪开关信号。

5.根据权利要求1所述泵浦光激发可分辨的飞秒瞬态吸收***，其特征在于，所述上位机还发送测试命令至光谱仪，以配置光谱仪测试参数。

6.一种利用泵浦光激发可分辨的飞秒瞬态吸收***的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：激光器发出1kHz脉冲激光，经分束镜分为两束相干光，其中一束相干光通过钛蓝宝石晶体变为1kHz探测光，另一束相干光通过斩波器变换为500Hz泵浦光，再通过延迟线时间延迟；

步骤2：探测光与延迟后的泵浦光入射至待测样品的同一位置，产生探测信号，传输至光谱仪待测试；

步骤3：激光器在发出脉冲激光的同时，输出与脉冲激光同步的1kHz电信号，经斩波器变换为占空比50％的500Hz同步信号，传输至时序同步模块；时序同步模块在同步信号的触发下产生占空比50％的1kHz光谱仪开关信号；

步骤4：上位机发送开启或关闭测试的命令至命令处理模块，处理后得到时序同步模块内部开关信号，传输至时序同步模块；时序同步模块在时序同步模块内部开关信号的控制下输出光谱仪开关信号至光谱仪，具体为：若时序同步模块内部开关信号为高电平，输出光谱仪开关信号为占空比50％的1kHz信号；否则，输出光谱仪开关信号为低电平；

步骤5：上位机在发送开启或关闭测试的命令的同时，发送测试命令至光谱仪配置测试参数，之后光谱仪在光谱仪开关信号的触发下测试探测信号，获得光谱数据，传输至上位机处理。

Images