CN116183496A - 基于面阵cmos相机的超快泵浦探测瞬态吸收成像*** - Google Patents
基于面阵cmos相机的超快泵浦探测瞬态吸收成像*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及光学检测技术领域,提供一种基于面阵CMOS相机的超快泵浦探测瞬态吸收成像***,包括飞秒光源模块、延迟线平台模块、探测白光产生模块、激发光斩波模块、光束合束匀化模块、样品仓模块、检测模块和***控制模块。飞秒激光器输出飞秒脉冲激光,经过分束片进行分束,一部分光作为激发光进入参量放大器;另一部分光作为探测光的基频光输出至延迟线平台模块;延迟线平台模块,使探测光相对激发光延迟照射到样品上;探测白光产生模块,将延迟线平台模块输出的探测光的基频光转换成探测白光;激发光斩波模块将参量放大器输出的激发光进行光学斩波,形成泵浦激发光。本发明能够实现***的一次成像、快速成像,大大提高了***的采集效率。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域,尤其涉及一种基于面阵CMOS相机的超快泵浦探测瞬态吸收成像***及方法。
背景技术
超快泵浦探测瞬态吸收光谱仪技术被广泛用于洁净能源、新材料、光电器件等科学研究,其特有的技术实现了在飞秒(10-15s)尺度上采集材料的光谱演化信息,解析动力学过程和机理,配合微区***,还可以实现最高500nm的高空间分辨率,但此常规的测试手段还是针对测试样品的某一个点进行测试,随着技术的发展,瞬态吸收成像技术孕育而生,可以进一步的对材料的整个空间界面进行检测。
现有的瞬态吸收成像技术主要有两个方向:一种是样品静止放置,使用振镜&共聚焦技术控制脉冲激光进行空间平面的扫描,第二种是使用压电电控位移台实现样品步进移动,激光脉冲静止来实现空间扫描,这两种方法都可以实现空间的瞬态吸收光谱成像,但空间扫描,要逐点测试,每一个点作为成像数据的一个像素,取得一个成像数据较长的时间进行数据采集,存在数据采集速度慢、成像分辨率较低、测试较慢的缺点,而且空间分辨率限制于光脉冲将聚焦后光斑大小,分辨率无法再进行提高。
发明内容
本发明主要解决现有瞬态吸收光谱成像技术数据采集速度慢、成像分辨率较低等技术问题,提出一种基于面阵CMOS相机的超快泵浦探测瞬态吸收成像***及方法,以实现***的一次成像、快速成像,大大提高了***的采集效率。
本发明提供了一种基于面阵CMOS相机的超快泵浦探测瞬态吸收成像***,包括:飞秒光源模块、延迟线平台模块、探测白光产生模块、激发光斩波模块、光束合束匀化模块、样品仓模块、检测模块和***控制模块;
所述飞秒光源模块,包括:飞秒激光器、分束片和参量放大器;
所述飞秒激光器输出飞秒脉冲激光,经过分束片进行分束,一部分光作为激发光进入参量放大器;另一部分光作为探测光的基频光输出至延迟线平台模块;
所述延迟线平台模块,对探测光的基频光进行光程控制,使探测光相对激发光延迟照射到样品上;
所述探测白光产生模块,将延迟线平台模块输出的探测光的基频光转换成探测白光;
所述激发光斩波模块,将参量放大器输出的激发光进行光学斩波,形成泵浦激发光;
所述光束合束匀化模块,包括:合束分束片和光斑匀化装置;
所述合束分束片,透过50%的探测白光,反射50%的泵浦激发光,将探测白光和泵浦激发光形成同轴共线的状态,合成合束光;
所述光斑匀化装置,对合束光进行光斑匀化处理;
所述样品仓模块,包括:依次设置的第一物镜、第二物镜和透镜;所述第一物镜和第二物镜的焦距相同;所述第一物镜与第一物镜的焦点之间放置样品;所述第二物镜后设置可切换的滤光片;
合束光经过第一物镜对样品进行面激发,光透过样品后,用相同焦距的第二物镜对光进行收集,使探测白光和泵浦激发光再次变成平行光;透镜进行聚焦;
所述检测模块,包括:探测光检测器;所述探测光检测器,采集透镜聚焦后的光;所述探测光检测器采用面阵CMOS相机;
所述***控制模块,包括:工控机和计数器;
所述计数器分别与飞秒激光器、激发光斩波模块和探测光检测器信号连接;
所述工控机分别与计数器、延迟线平台模块、激发光斩波模块和探测光检测器信号连接。
优选的,所述飞秒激光器输出200nm—2000nm的连续飞秒脉冲激光作为激发光,输出800nm或1030nm脉冲光为探测光的基频光。
优选的,所述延迟线平台模块,包括:延迟线平台和平台外反射镜;
延迟线平台和平台外反射镜分别安装在第一位移台上。
优选的,所述延迟线平台模块的移动范围为0至300mm,所述延迟线平台模块对探测光的延迟时间为0至8ns。
优选的,所述探测白光产生模块,包括:依次设置的第一平凸透镜、第一衰减片、造白光晶体、第二平凸透镜、第二衰减片和第一滤光片。
优选的,所述激发光斩波模块,包括:依次设置的第二回射镜、第一光阑定位装置、斩波器、第三衰减片和第二光阑定位装置;其中,所述斩波器与***控制模块信号连接。
优选的,所述样品仓模块配置第二位移台;
所述第一物镜、第二物镜、样品放置在第二位移台上,通过第二位移台调整第一物镜、第二物镜、样品的位置。
优选的,所述计数器采用NI-PCIe6612型号的计数器;
所述计数器根据飞秒激光器输入的同步信号A,生成频率为A/2的斩波器触发信号B,输出给斩波器;
所述计数器再根据斩波器触发信号B,生成频率为2B的探测光检测器触发信号C,输出给探测光检测器;
通过此三个信号的同步,实现飞秒激光器、斩波器和探测光检测器的同步输出。
对应的,本发明还提供一种根据本发明任意实施例提供的基于面阵CMOS相机的超快泵浦探测瞬态吸收成像***的成像方法,其特征在于,包括以下过程:
步骤100,进行***配置:打开设备电源,设置飞秒激光器输出,设置参量放大器输出相应波长的光作为测试***的激发光,将样品放置在样品仓模块上样品放置位置,并设置成像***扫描参数;
步骤200,工控机对计数器、延迟线平台模块、激发光斩波模块和探测光检测器进行初始化;工控机控制计数器接收飞秒激光器的同步信号A,同步信号A的频率为f,并根据此同步信号A生成频率为f/2的斩波器触发信号B,输出给斩波器,实现激发光泵浦激发;
步骤300,工控机控制***,对样品进行超快泵浦探测瞬态吸收成像;
步骤400,工控机控制扫描开始,工控机延迟线平台模块按照步骤300设置的扫描参数进行移动,每移动一个点稳定后,工控机控制计数器根据信号B生成频率为f的探测光检测器触发信号C,输出给探测光检测器,控制探测光检测器进行扫描,得到每一个延时时刻下,激发态透过光强和未激发态透过光强数据,进而得到瞬态吸收信号;
步骤500,记录瞬态吸收信息、延迟信息和成像像素信息,为最终的***数据,并保存。
优选的,所述步骤300,包括以下过程:
步骤301,飞秒激光器输出飞秒脉冲激光,经过分束片进行分束,一部分光作为激发光进入参量放大器;另一部分光为探测脉冲光的基频光输出至延迟线平台模块;
步骤302,延迟线平台模块,对探测脉冲光的基频光光程控制,使探测光相对激发光延迟照射到样品上;
步骤303,将延迟线平台模块输出的探测脉冲光的基频光转换成探测白光;
步骤304,将参量放大器输出的激发光进行光学斩波,形成泵浦激发光;
步骤305,合束分束片透过50%的探测白光,反射50%的泵浦激发光,将探测白光和泵浦激发光形成同轴共线的状态,合成合束光;光斑匀化装置,对合束光进行光斑匀化处理;
步骤306,第一物镜实现合束光对样品的面激发和面探测,光透过样品后,用相同焦距的第二物镜对光进行收集,使探测白光和泵浦激发光再次变成平行光;透镜进行聚焦;
步骤307,探测光检测器,采集透镜聚焦后的光。
本发明提供的一种基于面阵CMOS相机的超快泵浦探测瞬态吸收成像***及方法,通过光束合束匀化模块Ⅴ的光斑均化,使光在一定区域内的光强均匀,通过样品仓模,实现了光对样品的面激发和探测,通过检测模块的面阵CMOS相机的高速面采集实现了***的快速成像,实现一次成像,大大提高了***的采集效率;本发明克服了现有技术成像数据是一个一个像素点扫描而来,扫描逐个点成像、成像效率低的技术问题。
附图说明
图1是本发明提供的基于面阵CMOS相机的超快泵浦探测瞬态吸收成像***的组成原理图;
图2是本发明提供的延迟线平台的光路示意图;
图3是本发明提供的激发光斩波模块的泵浦延时探测示意图;
图4是本发明提供的光束合束匀化模块的光束均化效果示意图;
图5是本发明提供的样品仓模块的光路示意图;
图6a-c是本发明提供的三种扫描模式的扫描曲线示意图。
附图标记:Ⅰ、飞秒光源模块;Ⅱ、延迟线平台模块;Ⅲ、探测白光产生模块;Ⅳ、激发光斩波模块;Ⅴ、光束合束匀化模块;Ⅵ、样品仓模块;Ⅶ、检测模块;Ⅷ、***控制模块;1、飞秒激光器;2、分束片;3、参量放大器;4、延迟线平台;5、平台外反射镜;6、第一平凸透镜;7、第一衰减片;8、造白光晶体;9、第二平凸透镜;10、第二衰减片;11、第一滤光片;12、第二回射镜;13、第一光阑定位装置;14、斩波器;15、第三衰减片;16、第二光阑定位装置;17、合束分束片;18、光斑匀化装置;19、第一物镜;20、样品;21、第二物镜;22、透镜;23、探测光检测器;24、计数器;25、工控机;401、第一平台内反射镜;402、第二平台内反射镜;403、第三平台内反射镜;404、第四平台内反射镜;405、第五平台内反射镜;406、第六平台内反射镜;407、第七平台内反射镜。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚,下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,而非对本发明的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
如图1所示,本发明实施例提供的基于面阵CMOS相机的超快泵浦探测瞬态吸收成像***,包括:飞秒光源模块Ⅰ、延迟线平台模块Ⅱ、探测白光产生模块Ⅲ、激发光斩波模块Ⅳ、光束合束匀化模块Ⅴ、样品仓模块Ⅵ、检测模块Ⅶ和***控制模块Ⅷ。
所述飞秒光源模块Ⅰ,包括:飞秒激光器1、分束片2和参量放大器3。所述飞秒激光器1输出飞秒脉冲激光,经过分束片2进行分束,一部分光作为激发光进入参量放大器3;另一部分光作为探测光的基频光输出至延迟线平台模块Ⅱ。
在飞秒光源模块Ⅰ中,所述飞秒激光器1输出200nm—2000nm的连续飞秒脉冲激光作为激发光,输出800nm或1030nm脉冲光为探测光的基频光。
飞秒光源模块Ⅰ作用主要是提供***的激发光源(200nm—2000nm)和***探测脉冲光的基频光(800nm或1030nm脉冲光,由飞秒激光器输出),激光光源的脉冲光脉宽决定了***的时间分辨率,一般***的仪器响应函数(IRF)是1.5倍的脉宽,飞秒激光器1可选择两种,其一可以选择莱特激光(LIGHT CONVERSION,LC)1030nm 100K激光器,其二可以选择相干或光谱物理的800nm 1K激光器。
所述延迟线平台模块Ⅱ,对探测光的基频光进行光程控制,使探测光相对激发光延迟照射到样品上。
所述延迟线平台模块Ⅱ,包括:延迟线平台4和平台外反射镜5。延迟线平台4和平台外反射镜5分别安装在第一位移台上。如图2所示,所述延迟线平台4内设置多个平台内反射镜。具体的,延迟线平台4内包括:第一平台内反射镜401、第二平台内反射镜402、第三平台内反射镜403、第四平台内反射镜404、第五平台内反射镜405、第六平台内反射镜406、第七平台内反射镜407;
所述第七平台内反射镜407设置在延迟线平台4的一端,其它平台内反射镜设置在延迟线平台4的另一端;
所述第五平台内反射镜405和第六平台内反射镜406对应布置;所述第三平台内反射镜403、第四平台内反射镜404设置在第五平台内反射镜405后方;所述第一平台内反射镜401、第二平台内反射镜402设置在第六平台内反射镜406后方;所述第三平台内反射镜403与第二平台内反射镜402位置对应;
且第一平台内反射镜401、第二平台内反射镜402、第三平台内反射镜403、第四平台内反射镜404、第五平台内反射镜405和第六平台内反射镜406分别与延迟线平台4长度方向呈45°角。
所述第一平台内反射镜401、第二平台内反射镜402、第三平台内反射镜403、第四平台内反射镜404为圆形直径为25.1mm的反射镜,第五平台内反射镜405和第六平台内反射镜406为方形反射镜,第七平台内反射镜407为中空锥形反射镜,放置在第一位移台上①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧为光路顺序。
飞秒光源模块Ⅰ输出的基频光进入延迟线平台4后,在延迟线平台4内通过多个平台内反射镜反射。延迟线平台模块Ⅱ作用是对***中探测光的基频光进行光程设定,所述延迟线平台模块Ⅱ的移动范围为0至300mm,基频光可以在延迟线平台4内反复8次。根据光速C=3×108m/s,所述延迟线平台模块Ⅱ对探测光的延迟时间为0至8ns(10-9s)。
所述探测白光产生模块Ⅲ,将延迟线平台模块Ⅱ输出的探测光的基频光转换成探测白光。所述探测白光产生模块Ⅲ,包括:依次设置的第一平凸透镜6、第一衰减片7、造白光晶体8、第二平凸透镜9、第二衰减片10和第一滤光片11。
探测白光产生模块Ⅲ作用:是把延迟线平台模块Ⅱ输出的基频光转换成探测白光,探测白光产生模块Ⅲ中的造白光晶体8可以根据实际实验需求设定,选用不同的晶体,白光光谱探测波长范围关系如下:
800nm光源:氟化钙晶体3mm:350nm—700nm;蓝宝石晶体3mm:439nm—800nm;
1030nm光源:蓝宝石晶体3mm:400nm—700nm;Yag晶体13mm:530nm—950nm。
所述激发光斩波模块Ⅳ,将参量放大器3输出的激发光进行光学斩波,形成泵浦激发光;所述激发光斩波模块Ⅳ,包括:依次设置的第二回射镜12、第一光阑定位装置13、斩波器14、第三衰减片15和第二光阑定位装置16;其中,所述斩波器14与***控制模块Ⅷ信号连接。
激发光斩波模块Ⅳ功能是把参量放大器3输出的激发光进行光学斩波,做成泵浦激发光,以800nm 1K激光光源为例,频率同是1K,斩波器14设置0.5kHz,如图3所示,斩波器14就可以把间隔的脉冲光挡住,相对于探测光形成泵浦探测,激发光斩波模块Ⅳ和延迟线平台模块Ⅱ的共同作用,实现了光学的泵浦和延迟探测。
所述光束合束匀化模块Ⅴ,包括:合束分束片17和光斑匀化装置18;激发光斩波模Ⅳ输出的泵浦激发光和探测白光产生模块Ⅲ输出的探测白光进入到光束合束匀化模块Ⅴ后,所述合束分束片17,透过50%的探测白光,反射50%的泵浦激发光,将探测白光和泵浦激发光形成同轴共线的状态,合成合束光;所述光斑匀化装置18,对合束光进行光斑匀化处理。
在光斑匀化处理之前,两束光的光强在空间面分布状态都是高斯光束,光束未进行均化处理前,如图4左图显示,光子密度分布都是中间强四周弱,这样的光束聚焦打到样品后,无法实现激发区域不均匀,所以光束通过光斑匀化装置,光斑就会变的相对均匀,如图4右侧所示。光斑匀化装置18可以采用艾特蒙特的光束整形器(πShaper6_6_VIS)。
所述样品仓模块Ⅵ,包括:依次设置的第一物镜19、第二物镜21和透镜22;所述第一物镜19和第二物镜21的焦距相同;所述第一物镜19与第一物镜19的焦点之间放置样品20;所述第二物镜21后设置可切换的滤光片;
合束光经过第一物镜19对样品20进行面激发,光透过样品20后,用相同焦距的第二物镜21对光进行收集,使探测白光和泵浦激发光再次变成平行光;透镜22进行聚焦;
所述样品仓模块Ⅵ配置第二位移台;所述第一物镜19、第二物镜21、样品20放置在第二位移台上,通过第二位移台调整第一物镜19、第二物镜21、样品20的位置。
样品仓模块Ⅵ采用50X的物镜对光聚焦,实现微驱探测,设置XYZ方向的第二位移台保证第一物镜19和第二物镜21的焦点重合,且Z轴重合,现有的样品设置一般设置在焦点位置,实现微区点探测,本发明把样品20设置在焦点与入射光物镜之间,形成激发光面激发,探测光面探测,具体如图5所示,第二物镜21后放置可切换的滤光片,目的是滤掉激发光和可截取响应的探测波长,通过试验设定,所述样品20与第一物镜19的距离为第一物镜19焦距的一半,公式表示如下:
D=f/2
其中,D表示样品20与第一物镜19的距离,f为第一物镜19的焦距。
所述检测模块Ⅶ,包括:探测光检测器23;所述探测光检测器23,采集透镜22聚焦后的光;所述探测光检测器23采用面阵CMOS相机,面阵CMOS相机的选择上,主要要考虑像素分辨率和像素尺寸、采集频率等参数。像素分辨率和像素尺寸:影响最终数据成像的像素分辨率;采集频率:影响采集效率。
本发明探测光检测器23选择示例探测器像素输出为480*320、像素深度10bit,可以以1Khz频率进行数据采集,理论上选择更高参数的面阵CMOS相机,***的分辨率和采集效率会更高。
所述***控制模块Ⅷ,包括:工控机25和计数器24;所述计数器24分别与飞秒激光器1、激发光斩波模块Ⅳ和探测光检测器23信号连接。所述工控机25分别与计数器24、延迟线平台模块Ⅱ、激发光斩波模块Ⅳ和探测光检测器23信号连接。工控机25负责驱动控制计数器24、延迟线平台4、斩波器14、探测光检测器23等设备逻辑工作和数据采集。
计数器24作为***的核心部件主要作用是用于控制各个设备***工作。所述计数器24采用NI-PCIe6612型号的计数器;所述计数器24根据飞秒激光器1输入的同步信号A,生成频率为A/2的斩波器触发信号B,输出给斩波器14;所述计数器24再根据斩波器触发信号B,生成频率为2B的探测光检测器触发信号C,输出给探测光检测器23;通过此三个信号的同步,实现飞秒激光器1、斩波器14和探测光检测器23的同步输出。
本发明提供的基于面阵CMOS相机的超快泵浦探测瞬态吸收成像***,通过光束合束匀化模块Ⅴ的光斑均化,使光在一定区域内的光强均匀,通过样品仓模块Ⅵ,实现了光对样品的面激发和探测,通过检测模块Ⅶ的面阵CMOS相机的高速面采集实现了***的快速成像,实现一次成像,克服了现有技术成像数据是一个一个像素点扫描而来,扫描逐个点成像、成像效率低的技术问题。本发明大大提高了***的采集效率,采集速度提高20倍以上,采集一组延迟点为200点,像素为480*320的成像数据,只需要10分钟左右。面阵激发,扫描分辨率不再受激光光斑衍射极限限制(500nm),分辨率可以提高10倍以上,分辨率可以达到50nm以上。
本发明还提供一种基于面阵CMOS相机的超快泵浦探测瞬态吸收成像***的成像方法,包括以下过程:
步骤100,进行***配置。
打开设备电源,设置飞秒激光器1输出,根据测试需求设置参量放大器3输出相应波长的光作为测试***的激发光,将样品放置在样品仓模块Ⅵ上样品放置位置。设置成像***扫描参数,包含选择扫描模式,确定扫描范围步长;其中,扫描模式,包括线性扫描(图6a)、指数扫描(图6b)和分段式线性扫描(6c);扫描范围步长,包括起始、结束和步长。
步骤200,工控机25对计数器24、延迟线平台模块Ⅱ、激发光斩波模块(Ⅳ)和探测光检测器23进行初始化;工控机25控制计数器24接收飞秒激光器1的同步信号A,同步信号A的频率为f,并根据此同步信号A生成频率为f/2的斩波器触发信号B,输出给斩波器14,实现激发光泵浦激发;
步骤300,工控机25控制***,对样品进行超快泵浦探测瞬态吸收成像。
步骤400,工控机25控制扫描开始,工控机25延迟线平台模块Ⅱ按照步骤300设置的扫描参数进行移动,每移动一个点稳定后,工控机25控制计数器24根据信号B生成频率为f的探测光检测器触发信号C,输出给探测光检测器23,控制探测光检测器23进行扫描,得到每一个延迟时刻下,激发态透过光强I1-pump和未激发态透过光强I1-unpump数据,进而得到瞬态吸收信号。
其中,每个点的扫描数等于步骤100的扫描参数;
探测光检测器23采集数据数为N,其中奇数数据为数N/2为I1-pump,偶数数据数为N/2为I1-unpump;
瞬态吸收信号:ΔA=-Log(I1-pump/I1-unpump)
其中,ΔA为测试样品由基态变为激发态后,样品对相应波长光吸收的变化。该公式ΔA=Apump-Aunpump=-Log(I1-pump/I1-unpump),其中Apump为激发态吸收光强,Aunpump为未激发态吸收光强,I1-pump为激发态透过光强,I1-unpump为未激发态透过光强。
步骤500,记录瞬态吸收信息ΔA和延迟信息Delay和成像像素信息CMOS PIX三个数据信息,为最终的***数据,并保存。
其中,每一个Delay下,每个CMOS PIX下都会有一个瞬态吸收信号ΔA。
所述步骤300,包括以下过程:
步骤301,飞秒激光器1输出飞秒脉冲激光,经过分束片2进行分束,一部分光作为激发光进入参量放大器3;另一部分光为探测脉冲光的基频光输出至延迟线平台模块Ⅱ;
步骤302,延迟线平台模块Ⅱ,对探测脉冲光的基频光光程控制,使探测光相对激发光延迟照射到样品上;
步骤303,将延迟线平台模块Ⅱ输出的探测脉冲光的基频光转换成探测白光;
步骤304,将参量放大器3输出的激发光进行光学斩波,形成泵浦激发光;
步骤305,合束分束片17透过50%的探测白光,反射50%的泵浦激发光,将探测白光和泵浦激发光形成同轴共线的状态,合成合束光;光斑匀化装置18,对合束光进行光斑匀化处理;
步骤306,第一物镜19实现合束光对样品20的面激发和面探测,光透过样品20后,用相同焦距的第二物镜21对光进行收集,使探测白光和泵浦激发光再次变成平行光;透镜22进行聚焦;
步骤307,探测光检测器23,采集透镜22聚焦后的光。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种基于面阵CMOS相机的超快泵浦探测瞬态吸收成像***,其特征在于,包括:飞秒光源模块(Ⅰ)、延迟线平台模块(Ⅱ)、探测白光产生模块(Ⅲ)、激发光斩波模块(Ⅳ)、光束合束匀化模块(Ⅴ)、样品仓模块(Ⅵ)、检测模块(Ⅶ)和***控制模块(Ⅷ);
所述飞秒光源模块(Ⅰ),包括:飞秒激光器(1)、分束片(2)和参量放大器(3);
所述飞秒激光器(1)输出飞秒脉冲激光,经过分束片(2)进行分束,一部分光作为激发光进入参量放大器(3);另一部分光作为探测光的基频光输出至延迟线平台模块(Ⅱ);
所述延迟线平台模块(Ⅱ),对探测光的基频光进行光程控制,使探测光相对激发光延迟照射到样品上;
所述探测白光产生模块(Ⅲ),将延迟线平台模块(Ⅱ)输出的探测光的基频光转换成探测白光;
所述激发光斩波模块(Ⅳ),将参量放大器(3)输出的激发光进行光学斩波,形成泵浦激发光;
所述光束合束匀化模块(Ⅴ),包括:合束分束片(17)和光斑匀化装置(18);
所述合束分束片(17),透过50%的探测白光,反射50%的泵浦激发光,将探测白光和泵浦激发光形成同轴共线的状态,合成合束光;
所述光斑匀化装置(18),对合束光进行光斑匀化处理;
所述样品仓模块(Ⅵ),包括:依次设置的第一物镜(19)、第二物镜(21)和透镜(22);所述第一物镜(19)和第二物镜(21)的焦距相同;所述第一物镜(19)与第一物镜(19)的焦点之间放置样品(20);所述第二物镜(21)后设置可切换的滤光片;
合束光经过第一物镜(19)对样品(20)进行面激发,光透过样品(20)后,用相同焦距的第二物镜(21)对光进行收集,使探测白光和泵浦激发光再次变成平行光;透镜(22)进行聚焦;
所述检测模块(Ⅶ),包括:探测光检测器(23);所述探测光检测器(23),采集透镜(22)聚焦后的光;所述探测光检测器(23)采用面阵CMOS相机;
所述***控制模块(Ⅷ),包括:工控机(25)和计数器(24);
所述计数器(24)分别与飞秒激光器(1)、激发光斩波模块(Ⅳ)和探测光检测器(23)信号连接;
所述工控机(25)分别与计数器(24)、延迟线平台模块(Ⅱ)、激发光斩波模块(Ⅳ)和探测光检测器(23)信号连接。
2.根据权利要求1所述的基于面阵CMOS相机的超快泵浦探测瞬态吸收成像***,其特征在于,所述飞秒激光器(1)输出200nm—2000nm的连续飞秒脉冲激光作为激发光,输出800nm或1030nm脉冲光为探测光的基频光。
3.根据权利要求1所述的基于面阵CMOS相机的超快泵浦探测瞬态吸收成像***,其特征在于,所述延迟线平台模块(Ⅱ),包括:延迟线平台(4)和平台外反射镜(5);
延迟线平台(4)和平台外反射镜(5)分别安装在第一位移台上。
4.根据权利要求3所述的基于面阵CMOS相机的超快泵浦探测瞬态吸收成像***,其特征在于,所述延迟线平台模块(Ⅱ)的移动范围为0至300mm,所述延迟线平台模块(Ⅱ)对探测光的延迟时间为0至8ns。
5.根据权利要求1或4所述的基于面阵CMOS相机的超快泵浦探测瞬态吸收成像***,其特征在于,所述探测白光产生模块(Ⅲ),包括:依次设置的第一平凸透镜(6)、第一衰减片(7)、造白光晶体(8)、第二平凸透镜(9)、第二衰减片(10)和第一滤光片(11)。
6.根据权利要求5所述的基于面阵CMOS相机的超快泵浦探测瞬态吸收成像***,其特征在于,所述激发光斩波模块(Ⅳ),包括:依次设置的第二回射镜(12)、第一光阑定位装置(13)、斩波器(14)、第三衰减片(15)和第二光阑定位装置(16);其中,所述斩波器(14)与***控制模块(Ⅷ)信号连接。
7.根据权利要求1所述的基于面阵CMOS相机的超快泵浦探测瞬态吸收成像***,其特征在于,所述样品仓模块(Ⅵ)配置第二位移台;
所述第一物镜(19)、第二物镜(21)、样品(20)放置在第二位移台上,通过第二位移台调整第一物镜(19)、第二物镜(21)、样品(20)的位置。
8.根据权利要求6所述的基于面阵CMOS相机的超快泵浦探测瞬态吸收成像***,其特征在于,所述计数器(24)采用NI-PCIe6612型号的计数器;
所述计数器(24)根据飞秒激光器(1)输入的同步信号A,生成频率为A/2的斩波器触发信号B,输出给斩波器(14);
所述计数器(24)再根据斩波器触发信号B,生成频率为2B的探测光检测器触发信号C,输出给探测光检测器(23);
通过此三个信号的同步,实现飞秒激光器(1)、斩波器(14)和探测光检测器(23)的同步输出。
9.一种根据权利要求1至8任一项所述的基于面阵CMOS相机的超快泵浦探测瞬态吸收成像***的成像方法,其特征在于,包括以下过程:
步骤100,进行***配置:打开设备电源,设置飞秒激光器(1)输出,设置参量放大器(3)输出相应波长的光作为测试***的激发光,将样品放置在样品仓模块(Ⅵ)上样品放置位置,并设置成像***扫描参数;
步骤200,工控机(25)对计数器(24)、延迟线平台模块(Ⅱ)、激发光斩波模块(Ⅳ)和探测光检测器(23)进行初始化;工控机(25)控制计数器(24)接收飞秒激光器(1)的同步信号A,同步信号A的频率为f,并根据此同步信号A生成频率为f/2的斩波器触发信号B,输出给斩波器(14),实现激发光泵浦激发;
步骤300,工控机(25)控制***,对样品进行超快泵浦探测瞬态吸收成像;
步骤400,工控机(25)控制扫描开始,工控机(25)延迟线平台模块(Ⅱ)按照步骤300设置的扫描参数进行移动,每移动一个点稳定后,工控机(25)控制计数器(24)根据信号B生成频率为f的探测光检测器触发信号C,输出给探测光检测器(23),控制探测光检测器(23)进行扫描,得到每一个延时时刻下,激发态透过光强和未激发态透过光强数据,进而得到瞬态吸收信号;
步骤500,记录瞬态吸收信息、延迟信息和成像像素信息,为最终的***数据,并保存。
10.根据权利要求9所述的成像方法,其特征在于,所述步骤300,包括以下过程:
步骤301,飞秒激光器(1)输出飞秒脉冲激光,经过分束片(2)进行分束,一部分光作为激发光进入参量放大器(3);另一部分光为探测脉冲光的基频光输出至延迟线平台模块(Ⅱ);
步骤302,延迟线平台模块(Ⅱ),对探测脉冲光的基频光光程控制,使探测光相对激发光延迟照射到样品上;
步骤303,将延迟线平台模块(Ⅱ)输出的探测脉冲光的基频光转换成探测白光;
步骤304,将参量放大器(3)输出的激发光进行光学斩波,形成泵浦激发光;
步骤305,合束分束片(17)透过50%的探测白光,反射50%的泵浦激发光,将探测白光和泵浦激发光形成同轴共线的状态,合成合束光;光斑匀化装置(18),对合束光进行光斑匀化处理;
步骤306,第一物镜(19)实现合束光对样品(20)的面激发和面探测,光透过样品(20)后,用相同焦距的第二物镜(21)对光进行收集,使探测白光和泵浦激发光再次变成平行光;透镜(22)进行聚焦;
步骤307,探测光检测器(23),采集透镜(22)聚焦后的光。
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