CN101446687B - 一种共线飞秒激光偏振泵浦探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种共线飞秒激光偏振泵浦探测系统，包括：偏振输出脉冲激光器输出脉冲激光；波片使激光偏振方向旋转；分光器件将激光束分成偏振方向互相垂直的两束；反射镜接收并反射激光束；声光调制器将激光束调制；光阑透过调制激光束；声光调制器驱动器为声光调制器发送调制信号；电控移动台前后移动；检偏器透过偏振方向垂直的激光束；光电探测器接收检偏器透过的激光；磁铁固定调整架固定样品；聚焦透镜将激光辐照在样品表面；电控旋转台固定波片。本发明将两束偏振方向垂直的光通过偏振耦合的方式，合并为一束光。这样，对不同厚度的样品，都能保证两束光在样品上空间相干，避免了调节光束方向的问题；使得操作更加简单。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，涉及超短激光脉冲泵浦探测技术，尤其涉及一种共线飞秒激光偏振泵浦探测系统。
背景技术
飞秒激光泵浦探测系统是超短激光脉冲技术的不断发展和成熟使得人们能够探索在极短时间发生的过程，在物理、化学、生物、医学等领域有着重要的应用价值。在研究超快热力学过程，常常需要借助超短脉冲激光泵浦一探测技术。在传统的超短激光脉冲泵浦-探测系统中，一般用一束激光泵浦、另外一束波长不同的激光探测，因此需要加入非线性晶体实现激光波长转换；或者用一束水平(或垂直)的激光泵浦，用另外一束偏振方向恰好相反的光束探测，两束光以一定夹角入射；用光电探测器接收探测光，将信号传输给锁相放大器。然而，当样品厚度不同时，泵浦光和探测光焦点在样品上的位置也不同，使两束光空间不相干；就需要用手动或电控来调节一束光的方向，使两束光的焦点重合。现有技术中由于样品厚度不同造成泵浦光和探测光在空间上不相干，则需要调节机构和空间相干监测用的成像系统，使得系统结构复杂和操作不方便。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明的目的是解决样品厚度不同造成泵浦光和探测光在空间上不相干的缺点，使得操作更加简单，同时减少了调节机构和空间相干监测用的成像系统，为此，本发明提供一种共线飞秒激光偏振泵浦探测系统。
为了实现所述的目的，本发明一种共线飞秒激光偏振泵浦探测系统的技术方案是：将两束偏振方向垂直的光通过偏振耦和的方式，合并为一束光，其技术方案为：
偏振输出脉冲激光器，用于输出的脉冲激光；
第一波片，用于接收脉冲激光，并将脉冲激光的偏振方向旋转；
第一分光器件，用于将偏振方向旋转脉冲激光分成偏振方向互相垂直的两激光束，这两束激光分别为水平方向偏振的激光束和垂直方向偏振的激光束；
第二波片，接收第一分光器件的水平偏振的激光束，用于将水平偏振的激光束的偏振方向发生旋转；
第二分光器件，接收偏振方向旋转的水平偏振的激光束，用于输出偏振方向水平的激光束；
第一反射镜，接收并反射偏振方向水平的激光束；
声光调制器，接收并调制第一反射镜反射的偏振方向水平激光束，用于输出透射的调制激光束；
光阑，用于接收第二反射镜反射的调制激光束；
第二反射镜，接收声光调制器透射的调制激光束，用于将透射的调制激光束偏转；
第一光学传感器，接收透过第二反射镜的调制激光束，与固定第二波片的电控旋转台形成闭环控制；
声光调制器驱动器，调制透过声光调制器的激光束；
第三分光器件，用于将光阑入射的激光束完全透过并输出；
第二光学传感器与固定第一波片的电控旋转台形成闭环控制，由外部计算机控制连续调节泵浦光和探测光的功率；
第三反射镜，用于接收第四反射镜调节方向的偏转激光束，使得从第三反射镜入射到第三分光器件后的光束重合；
电控移动台，由外部计算机控制沿着箭头方向移动，而且移动方向与从第一分光器件入射到第四反射镜的激光方向平行；
第四反射镜，用于接收第一分光器件垂直于水平面偏振的激光束，再反射到第三反射镜上，偏振方向不会发生变化，由第三反射镜再入射到第三分光器件上，由于入射是垂直偏振的，激光再次被第三分光器件反射；
光电探测器，与外部计算机连接，使外部计算机从光电探测器读取信号；用于接收检偏器透过垂直偏振的激光；
检偏器，用于接收样品对两种偏振方向的光产生的散射光；
磁铁固定调整架，用于将第三反射镜入射到第三分光器件重合光束，共线的入射到磁铁固定调整架上的样品表面，使磁铁固定调整架上的样品与入射光束的方向范围在0度到90度；
聚焦透镜，接收再次被反射垂直于水平面偏振的激光并辐照在样品磁铁固定调整架上的样品表面；
第一电控旋转台，用于固定第一波片，由外部计算机控制，在与第一波片所在的同一平面内旋转，旋转方向为顺时针和逆时针两种；
第二电控旋转台，用于固定第二波片，由外部计算机控制，在与第二波片所在的同一平面内旋转，旋转方向为顺时针和逆时针两种。
优选地，偏振输出脉冲激光器是波长780纳米或1560nm的飞秒光纤激光器，重复频率100MHz，平均功率30mW至150mW，脉冲宽度100fs。
优选地，第一波片和第二波片采用二分之一波片。
优选地，第一分光器件、第二分光器件和第三分光器件采用偏振分光器件。
优选地，第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜采用45度激光反射镜。
优选地，声光调制器的调制频率800Hz到25MHz可调节，频率由声光调制器驱动器控制。
优选地，声光调制器驱动器频率由外部计算机控制，或用数据信号发生器输出的信号外触发工作。
优选地，第一光学传感器和第二光学传感器采用激光功率计。
优选地，电控移动台最高精度每步100纳米，扫描范围5厘米，相应的光学延迟范围为300ps。
优选地，光电探测器是雪崩二极管、光电倍增管，或是电荷耦合器件CCD。
优选地，聚焦透镜焦距为10mm至100mm。
本发明的技术效果或优点：本发明将两束偏振方向垂直的光通过偏振耦合的方式，合并为一束光。这样，对不同厚度的样品，都能保证两束光在样品上空间相干，避免了调节光束方向的问题；使得操作更加简单。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图
主要部件说明
1.偏振输出脉冲激光器；
2.第一波片；
3.第一分光器件；
4.第二波片；
5.第二分光器件；
6.第一反射镜；
7.声光调制器；
8.光阑
9.第二反射镜；
10.第一光学传感器；
11.声光调制器驱动器；
12.第三分光器件；
13.第二光学传感器；
14.第三反射镜；
15.电控移动台；
16.第四反射镜；
17.光电探测器；
18.检偏器；
19.磁铁固定调整架；
20.聚焦透镜；
21.第一电控旋转台；
22.第二电控旋转台
具体实施方式
下面将结合附图1对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
应用实例
如结构示意图1所示，偏振输出脉冲激光器1是波长780纳米或1560nm的飞秒光纤激光器，重复频率100MHz，脉冲宽度100fs，波长780纳米时平均功率为30mW或50mW，波长1560纳米时平均功率为100mW或150mW。
第一波片2和第二波片4采用第一二分之一波片和第二二分之一波片；
第一分光器件3、第二分光器件5和第三分光器件12采用第一、第二和第三偏振分光器件；
第一反射镜6、第二反射镜9、第三反射镜14和第四反射镜16采用第一、第二、第三和第四45度激光反射镜；
声光调制器7的调制频率800Hz到25MHz可调节，频率由声光调制器驱动器11控制；
光阑8采用小孔光阑；
第一光学传感器10和第二光学传感器13采用激光功率计；
声光调制器驱动器11由外部计算机控制，也可以用其它数据信号发生器输出的信号外触发工作；
电控移动台15最高精度每步100纳米，扫描范围5厘米，相应的光学延迟范围为300ps。
光电探测器17可以是雪崩二极管、光电倍增管，也可以是电荷耦合器件CCD；
检偏器18采用格兰棱镜；
磁铁固定调整架19由一个磁铁吸盘和一个铁制底座组合而成；
聚焦透镜20，根据要求的不同可以选择焦距为10mm，50mm或100mm；
第一电控旋转台21，固定第一波片2，由外部计算机控制使其在竖直平面内旋转；
第二电控旋转台22，固定第二波片4，由外部计算机控制使其在竖直平面内旋转。
第一光学传感器10和第二光学传感器13为激光功率计，将激光信号转换为电压信号，再读入到外部计算机中，本发明外部的计算机再驱动电控移动台15旋转，直到到达用户设定的功率。
本发明的主要结构与原理如下描述：
本发明的主要结构由偏振输出脉冲激光器1、声光调制器7、光 延迟线、第一光学传感器10和第二光学传感器13采用激光功率传感器、第一二分之一波片2、第一偏振分光器件3、第二偏振分光器件5和第三偏振分光器件12组成。
偏振输出脉冲激光器1输出的脉冲激光如果是线偏振的，通过第一二分之一波片2后偏振方向发生旋转，再通过第一偏振分光器件3后，将脉冲激光分为偏振方向互相垂直的两束光；通过手动或电控的办法旋转第一二分之一波片2，能够连续改变两束光的强度比。垂直于水平面偏振的激光被第一偏振分光器件3反射后入射到第四45度激光反射镜16上，再反射到第三45度激光反射镜14上，偏振方向不会发生变化，由第三45度激光反射镜14再入射到第三偏振分光器件12上，由于入射是垂直偏振的，再次被反射垂直于水平面偏振的激光，通过聚焦透镜20后，辐照在样品磁铁固定调整架19上的样品表面。其中，第四45度激光反射镜16和第三45度激光反射镜14固定在一个电控移动台15上，电控移动台15由外部计算机控制，能够沿着箭头方向移动；而且移动方向与入射激光方向垂直，从第一偏振分光器件3到第四45度激光反射镜的光束与第三45度激光反射镜14到第三偏振分光器件12的光束平行，确保电控移动台15前后移动时入射到样品上的光斑位置不会发生变化。通过第一偏振分光器件3的水平偏振的光束透过第一偏振分光器件3后，再通过第二二分之一波片4偏振方向发生旋转，再通过第二偏振分光器件5后，只有偏振方向是水平的光可以通过。因此，第二二分之一波片4与第二偏振分光器件5构成一个功率衰减系统。第一45度激光反射镜6，接收通过第二偏振分光器件5的激光并反射偏振方向水平的激光束；声光调制器7，接收并调制第一45度激光反射镜6反射的偏振方向水平激光束，用于输出透射的调制激光束。由外部计算机输出TTL信号给声光调制驱动器11来调制透过声光调制器7的激光束。声光调制器7输出的激光束入射到第二45度反射镜9，使光束发生偏转。第二45度反射镜9输出的调制激光束通过光阑8，而没有被调制的光束不能通过光阑8。通过光阑8的光束入射到第三偏振分光器件12后完全透过，在通过聚焦透镜20聚焦到样品表面。通过第一偏振分光器件3反射的垂直偏振的光束入射到第四45度激光反射镜16，再反射到第三45度激光反射镜14；从第三45度激光反射镜14反射的激光束入射到第三偏振分光器件12。通过调节第二45度激光反射镜9的方向，使得从第三45度激光反射镜14入射到第三偏振分光器件12后的光束重合，共线的入射到磁铁固定调整架19上的样品表面。磁铁固定调整架19上的样品与入射光束的方向范围在0度到90度，样品对两种偏振方向的光都产生散射，通过检偏器18后，只有垂直偏振的光能够透过，再入射到光电探测器17上。
第一二分之一波片2在第一电控旋转台21控制下旋转，从第一二分之一波片2通过的激光入射到第一偏振分光器件3；第二光学传感器13，接收经第一偏振分光器件3反射后透过第三45度激光反射镜14的激光束，第一二分之一波片2和第一偏振分光器件3组合成为一套功率调节系统；第二光学传感器13与固定第一二分之一波片2的电控旋转台21通过闭环控制，由外部计算机控制连续调节泵浦光和探测光的功率。
第二二分之一波片4在第二电控旋转台22控制下旋转，从第二二分之一波片4通过的激光经由第二分光器件5、第一反射镜6和声光调制器7入射到第二45度激光反射镜9；第一光学传感器10，接收透过第二45度激光反射镜9的调制激光束，第二二分之一波片4和第二偏振分光器件5组成能量衰减系统，第一光学传感器10与固定第二二分之一波片4的电控旋转台22通过闭环控制，由外部计算机控制连续调节泵浦光的功率。
光延迟线由电控移动台15和第四45度激光反射镜16、第三45度激光反射镜14组成，延迟范围由电控移动台15的移动范围确定，实例中延迟范围为0到1纳秒。
第三偏振分光器件12的作用是将两束偏振方向不同的激光束合并为一束激光，实现共线泵浦探测。
声光调制器7与电控移动台15和光电探测器17同步运行，声光调制器7输出一次激光，电控移动台15走一步，光电探测器17接受激光，外部计算机从光电探测器17读取一个信号。
偏振输出脉冲激光器1的输出的偏振激光由第一二分之一波片2和第一偏振分光器件3将入射光分为偏振方向相互垂直的两束光，分别为泵浦光和探测光。探测光通过延迟线后，再由第三偏振分光器件12转向，再聚焦投射到样品上。高功率的泵浦光通过声光调制器7和小孔光阑8后，由第三偏振分光器件12与探测光耦合成一束共线的激光束。光延迟线由电控移动台15、第三45度反射镜14和第四45度反射镜16组成，延迟范围由电控移动台15的移动范围确定，实例中延迟范围为0到1纳秒。
第三偏振分光器件12的作用是将两束偏振方向不同的激光束合并为一束激光，实现共线泵浦探测。
声光调制器7与电控移动台15和光电探测器17同步运行，声光调制器7输出一次激光，电控移动台15走一步，外部计算机从光电探测器17读取一个信号。最终得到不同延迟时间的散射、或反射强度，反推出材料的热学特性。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种共线飞秒激光偏振泵浦探测系统，其特征在于，含有：
偏振输出脉冲激光器，用于输出脉冲激光；
第一波片，为二分之一波片，用于接收脉冲激光，并将脉冲激光的偏振方向旋转；
第一分光器件，为偏振分光器件，用于将偏振方向旋转的脉冲激光分成偏振方向互相垂直的两激光束，这两束激光分别为水平方向偏振的激光束，即为泵浦光，以及垂直方向偏振的激光束，即为探测光；
第二波片，为二分之一波片，接收第一分光器件的水平偏振的激光束，用于将水平偏振的激光束的偏振方向发生旋转；
第二分光器件，为偏振分光器件，接收经过第二波片后偏振方向旋转的激光束，用于输出偏振方向水平的激光束；
第一反射镜，为45度激光反射镜，接收并反射经过第二分光器件的偏振方向水平的激光束；
声光调制器，接收并调制经第一反射镜反射的偏振方向水平的激光束，用于输出透射的调制激光束和反射的调制激光束；
第二反射镜，接收声光调制器透射的调制激光束，将透射的调制激光束偏转；
光阑，用于接收第二反射镜反射的调制激光束；
第一光学传感器，接收透过第二反射镜的调制激光束，与固定第二波片的第二电控旋转台形成闭环控制；
声光调制器驱动器，调制透过声光调制器的激光束；
第三分光器件，为偏振分光器件，用于将从光阑入射的激光束完全透过并输出；
第四反射镜，用于接收第一分光器件垂直方向偏振的激光束，再将其反射到第三反射镜上，由第三反射镜再入射到第三分光器件上，由于入射是垂直偏振的，激光再次被第三分光器件反射，第三和第四反射镜都是45度激光反射镜；
第二光学传感器，接收透过第三反射镜的激光束，与固定第一波片的第一电控旋转台形成闭环控制，由外部计算机控制连续调节泵浦光和探测光的功率；
通过调节第二反射镜的方向，使得通过光阑后经过第三分光器件的光束，与从第三反射镜入射到第三分光器件后被反射的光束重合；
聚焦透镜，接收经过第三分光器件的再次被反射的垂直方向的激光并辐照在在样品磁铁固定调整架上的样品表面；
磁铁固定调整架，用于将上述重合的光束共线的入射到磁铁固定调整架上的样品表面，使磁铁固定调整架上的样品与入射光束的方向范围在0度到90度；
检偏器，用于接收样品对两种偏振方向的光产生的散射光；
光电探测器，与外部计算机连接，使外部计算机从光电探测器读取信号；用于接收检偏器透过垂直偏振的激光；
电控移动台，由外部计算机控制沿着前后方向移动，而且移动方向与从第一分光器件入射到第四反射镜的激光方向平行；
第一电控旋转台，由外部计算机控制，在与第一波片所在的同一平面内旋转，旋转方向为顺时针或逆时针；
第二电控旋转台，由外部计算机控制，在与第二波片所在的同一平面内旋转，旋转方向为顺时针或逆时针。
2.根据权利要求1所述共线飞秒激光偏振泵浦探测系统，其特征在于，偏振输出脉冲激光器是波长780纳米或1560nm的飞秒光纤激光器，重复频率100MHz，平均功率30mW至150mW，脉冲宽度100fs。
3.根据权利要求1所述共线飞秒激光偏振泵浦探测系统，其特征在于，声光调制器的调制频率800Hz到25MHz可调节，频率由外部计算机控制，或用数据信号发生器输出的信号外触发工作。
4.根据权利要求1所述共线飞秒激光偏振泵浦探测系统，其特征在于，第一光学传感器和第二光学传感器采用激光功率计。
5.根据权利要求1所述共线飞秒激光偏振泵浦探测系统，其特征在于，电控移动台最高精度每步100纳米，扫描范围5厘米，相应的光学延迟范围为300ps。
6.根据权利要求1所述共线飞秒激光偏振泵浦探测系统，其特征在于，光电探测器是雪崩二极管、光电倍增管，或是电荷耦合器件CCD。
7.根据权利要求1所述共线飞秒激光偏振泵浦探测系统，其特征在于，聚焦透镜焦距为10mm至100mm。
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