CN102072768A - 一种二维红外光谱装置及其光学干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种二维红外光谱装置及其光学干涉仪。该干涉仪包括四路偏振方向、光强和彼此延迟时间能够被精确控制的飞秒红外光路，两个对称放置的、分别用于汇聚三束光和收集所产生信号的抛物镜。本干涉仪能方便地实现飞秒红外光束的二维及三维光学干涉，利用三束光的四波混频现象，在分子样品中产生振动回波信号；并利用第四束飞秒红外光实现所产生回波信号的外差化，便于检测。本发明提供的包括上述干涉仪的红外光学装置可用于飞秒中红外光的二维及三维红外光谱实验。

Description

一种二维红外光谱装置及其光学干涉仪

技术领域

本发明涉及一种二维红外光谱装置及其光学干涉仪，属于激光光谱技术领域。

背景技术

随着飞秒激光技术的日益稳定，飞秒激光光谱技术，尤其是涉及时序调控多束飞秒激光的非线性光谱技术得到了人们的重视，被应用于生物、化学和材料领域的基本问题的研究。特别是在近年来出现的飞秒激光二维红外光谱技术，是分子体系在时域中三束超快红外激光脉冲下所产生的受激振动光子回波响应经二维傅里叶变换后在二维频域中的表达。它用非谐振子的相互作用来测定化学基团之间的空间结构关系。与之类似的二维核磁技术则用核自旋相互作用来测定原子间的空间几何关系。二维红外光谱，作为一种新颖的前沿光谱学手段，不仅有飞秒时间分辨率，还有能测定凝聚相分子动态结构的潜力。其时间分辨率取决于飞秒激光的脉冲宽度，而分子结构信息则存在于二维光谱的对角峰和非对角峰中。因此，需要提供一种二维红外光谱装置及其光学干涉仪，从而可以利用飞秒激光来测定物质分子的结构信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种二维红外光谱装置及其光学干涉仪。

本发明提供的一种二维红外光学干涉仪，在1束输入光束或者2束平行的输入光束的光路上设置与光路均呈135°的至少两个偏振分光镜和至少两个反射镜，使输入光束成为四束平行的输出光束k₁、k₂、k₃和k_LO；每束所述输出光束的光路上均依次设有至少一个半波片、至少两个偏振片和一个折返镜；所述折返镜可沿水平方向移动；所述四束平行的输出光束中的三束经过所述半波片、偏振片和折返镜后再分别经过一个反射镜后入射到第一抛物镜，三束所述输出光束经过所述第一抛物镜后聚焦到样品池处并发生干涉得到光信号k_s；所述光信号k_s经过第二抛物镜后射出并在一个窗片处反射；所述四束平行的输出光束中的另一束经过所述半波片、偏振片和折返镜后再通过两个反射镜后透射过所述窗片，与所述光信号k_s自所述窗片起共线，得到输出信号。

上述的光学干涉仪中，所述发生干涉的三束输出光束中的一束输出光束的光路中设有光学崭波器，用于调控输出信号的有无。

上述的光学干涉仪中，还包括一个氦氖激光器；在所述氦氖激光器发射的激光光束的光路上设有反射镜，使所述激光光束与所述输入光束的光路重合。由于中红外光为肉眼不可见，所述氦氖激光器可作为输入光路的可见引导光，此引导光自偏振分光镜起至样品池处与红外光处处共线重合，方便了二维红外光学干涉仪的光路准直。

上述的光学干涉仪中，所述输入光束可为1束输入光束；在所述输入光束的光路上设置与光路均呈135°的三个偏振分光镜和两个反射镜，使输入光束成为四束平行的输出光束k₁、k₂、k₃和k_LO。

上述的光学干涉仪中，所述输入光束还可为2束平行的输入光束；在所述输入光束的光路上设置与光路均呈135°的两个偏振分光镜和两个反射镜，使输入光束成为四束平行的输出光束k₁、k₂、k₃和k_LO。

上述的光学干涉仪中，所述折返镜设可设在电动平移动台上。通过所述电动平移动台的水平移动来调整所述折返镜的位置以使所述三束输出光束在所述样品池处发生干涉。

本发明还提供了一种二维红外光谱装置，该装置包括飞秒激光器、红外检测器和上述的二维红外光学干涉仪；所述二维红外光学干涉仪的输入光束由所述飞秒激光器产生；所述二维红外光学干涉仪的输出信号传输到所述红外检测器中并被读取。

本发明提供的二维红外光学干涉仪能方便地实现飞秒红外光束的二维及三维光学干涉，利用三束光的四波混频现象，在分子样品中产生振动回波信号，并利用第四束飞秒红外光实现所产生回波信号的外差化，便于检测。本发明还提供了一种二维红外光谱装置，该装置包括上述的二维红外光学干涉仪，该装置可用于飞秒中红外光的二维及三维红外光谱实验。

附图说明

图1为本发明实施例1的二维红外光学干涉仪的结构框图。

图2为本发明实施例1的二维红外光学干涉仪的四束输出光束产生三阶非线性光响应的示意图。

图3为本发明实施例2的二维红外光学干涉仪的结构框图。

图4为本发明的二维红外光谱装置的结构框图。

具体实施方式

下述结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于一下实施例。

实施例1、二维红外光学干涉仪

本发明的二维红外光学干涉仪的结构如图1所示。图中各标记如下：1、2、3偏振分光镜，4、5、11、12、13、19、20、21、22反射镜，6半波片，7偏振片，8、9、10、18折返镜，14第一抛物镜，15样品池，16第二抛物镜，17窗片，23氦氖激光器，24光学崭波器。

本发明的二维红外光学干涉仪，在1束输入光束IR1的光路上设置三个以硒化锌为基底的透射/反射分光比分别为90/10、33/67和50/50的偏振分光镜1、2和3，三个偏振分光镜1、2和3均与输入光路成135°角。在偏振分光镜1、2和3的依次作用下，一束红外输入光束IR1(其能量值为400nJ，波长为6μm，频率为1666cm^-1)被一分为四，得到四束平行的输出光束k₁、k₂、k₃和k_LO；其中，输出光束k₁和k₂分别来自偏振分光镜2和3，输出光束k₃和k_LO分别来自于镀金平面反射镜4和5。四束输出光束k₁、k₂、k₃和k_LO上均设有一个以氟化镁为基底的红外半波片6和两个红外偏振片7，用于同时调节输出光束的偏振方向和强度。其中，三束输出光束k₁、k₂和k₃具有同等强度，其能量值可为≤120nJ，而第四束输出光束k_LO的强度与三束输出光束的强度不同，其能量值可为≤40nJ。三束输出光束k₁、k₂和k₃经过位于三个电动平移动台(图中未示出)上的折返镜8、9和10后，分别由三个镀金平面反射镜11、12和13反射，在空间形成如图2所示的正三角形并以平行于第一偏轴镀金抛物镜14的光轴方向入射到第一抛物镜14上，汇聚在红外样品池15的中间，焦斑直径控制在100μm左右。三束输出光束k₁、k₂和k₃以一定的时序激发样品池15处的样品分子的振动态，在样品池15处发生干涉，在相位匹配条件(如k_s＝-k₁+k₂+k₃)下产生四波混频的三阶非线性响应光信号k_s。所产生的光信号k_s经过第二偏轴镀金抛物镜16后沿光轴方向平行射出，在楔型氟化钙窗片17处反射。三束输出光束k₁、k₂和k₃彼此的延迟时间由电动平移台及其上的折返镜8、9和10来调控。第四束输出光束k_LO经过折返镜18和两个镀金平面反射镜19和20，透射过氟化钙窗片17，与光信号k_s自氟化钙窗片17起共线，二者发生外差现象，产生输出信号。该输出信号包含了光信号k_s的强度和相位信息，便于其被检测。k_LO与k_s二者之间需有一定时间延迟，该时间延迟由第四路电动平移动台及其上的折返镜18调控。输出光束k₁光路中设有一个光学崭波器24，用来调控输出信号的有无，便于检测。

由于中红外光为肉眼所不可见，为了该干涉仪的光路准直，使用一个可折叠的镀金平面反射镜21，一个镀金平面反射镜22，一个氦氖激光器23作为光路的可见光引导。此引导光自分光镜1起至红外样品池15处与红外光处处共线重合，方便了二维红外光学干涉仪的光路准直。在准直操作时，将镀金平面反射镜21引入光路，即可将氦氖激光器23的输出一分为四，进入光路。在二维红外光学干涉仪工作时，将镀金平面反射镜21折叠离开输入光路的路径，使输入光束进入光路即可。

在本实施例的光学干涉仪工作的过程中，共有三个时间延迟，输出光束k₁和k₂脉冲之间的时间延时τ(被称为分子振动态的相干时间)，输出光束k₂和k₃脉冲之间的时间延时T(被称为分子振动态的布居时间)，回波信号k_s和k_LO脉冲之间的时间延时t(被称为回波信号的检测时间)。如果固定布居时间T，分别扫描相干时间τ和检测时间t，利用红外检测器记录输出信号，将得到一个沿τ和t的二维时域回波振荡信号，将该信号经过二维傅里叶变换之后就得到一张二维频域谱图，即为二维红外光谱。若将T作为一个扫描时间变量，分别扫描相干时间τ，布居时间T和检测时间t，记录输出信号，则能获得一个沿τ，T和t的三维时域回波振荡信号，将该信号经过三维傅里叶变换之后就得到一张三维频域谱图，即为三维红外光谱。

实施例2、二维红外光学干涉仪

本发明的二维红外光学干涉仪的结构如图3所示。图中各标记如下：1、2偏振分光镜，4、5、11、12、13、19、20、21、22、25反射镜，6半波片，7偏振片，8、9、10、18折返镜，14第一抛物镜，15样品池，16第二抛物镜，17窗片，23氦氖激光器，24光学崭波器。

本发明的二维红外光学干涉仪，在2束平行的输入光束IR1和IR2的光路上设置两个以硒化锌为基底的透射/反射分光比均为50/50的偏振分光镜1和偏振分光镜2，两个偏振分光镜1和2均与输入光路成135°角。在偏振分光镜1和2的依次作用下，两束红外输入光束IR1和IR2(其波长分别为6μm和3μm)被一分为四，得到四束输出光束k₁、k₂、k₃和k_LO；其中，输出光束k₁和k₂分别来自偏振分光镜1和2，输出光束k₃和k_LO分别来自于镀金平面反射镜4和5。此后四束输出光束k₁、k₂、k₃和k_LO的光路以及光路上光学器件的设置与实施例1相同。

本实施例的光学干涉仪中，作为光路可见引导光的氦氖激光器23由一个平面反射22和两个可折叠的镀金平面反射镜21和25引入光路中。光路准直操作与实施例1类似。在该二维红外光学干涉仪工作时，将镀金平面反射镜21和25折叠离开光路路径，使输入光束进入光路即可。

实施例3、二维红外光谱装置

本发明的二维红外光谱装置的结构如图4所示，图中各标记如下：1、2、3偏振分光镜，4、5、11、12、13、19、20、21、22反射镜，6半波片，7偏振片，8、9、10、18折返镜，14第一抛物镜，15样品池，16第二抛物镜，17窗片，23氦氖激光器，24光学崭波器，26飞秒激光器，27红外检测器。

本发明的二维红外光谱装置包括飞秒激光器26、实施例1的二维红外光学干涉仪和红外检测器27；该二维红外光学干涉仪的输入光束IR1由飞秒激光器26产生，产生的输入光束IR1沿着实施例1的二维红外光学干涉仪中的光路前进，在待检测样品的样品池15处发生干涉并得到输出信号，该输出信号再传输到该红外检测器27中并被读取，得到二维或三维红外光谱。

Claims (8)

1.一种二维红外光学干涉仪，其特征在于：在1束输入光束或者2束平行的输入光束的光路上设置与光路均呈135°的至少两个偏振分光镜和至少两个反射镜，使输入光束成为四束平行的输出光束k₁、k₂、k₃和k_LO；每束所述输出光束的光路上均依次设有至少一个半波片、至少两个偏振片和一个折返镜；所述折返镜可沿水平方向移动；所述四束平行的输出光束中的三束经过所述半波片、偏振片和折返镜后再分别经过一个反射镜后入射到第一抛物镜，三束所述输出光束经过所述第一抛物镜后聚焦到样品池处并发生干涉得到光信号k_s；所述光信号k_s经过第二抛物镜后射出并在一个窗片处反射；所述四束平行的输出光束中的另一束经过所述半波片、偏振片和折返镜后再通过两个反射镜后透射过所述窗片，与所述光信号k_s自所述窗片起共线，得到输出信号。

2.根据权利要求1所述的光学干涉仪，其特征在于：所述发生干涉的三束输出光束中的一束输出光束的光路中设有光学崭波器；

3.根据权利要求1或2所述的光学干涉仪，其特征在于：所述干涉仪还包括一个氦氖激光器。

4.根据权利要求3所述的光学干涉仪，其特征在于：在所述氦氖激光器发射的激光光束的光路上设有反射镜，使所述激光光束与所述输入光束的光路重合。

5.根据权利要求1-4中任一所述的光学干涉仪，其特征在于：所述输入光束为1束输入光束；在所述输入光束的光路上设置与光路均呈135°的三个偏振分光镜和两个反射镜，使输入光束成为四束平行的输出光束k₁、k₂、k₃和k_LO。

6.根据权利要求1-4中任一所述的光学干涉仪，其特征在于：所述输入光束为2束平行的输入光束；在所述输入光束的光路上设置与光路均呈135°的两个偏振分光镜和两个反射镜，使输入光束成为四束平行的输出光束k₁、k₂、k₃和k_LO。

7.根据权利要求1-6中任一所述的光学干涉仪，其特征在于：所述折返镜设在电动平移动台上。

8.一种二维红外光谱装置，包括飞秒激光器和红外检测器，其特征在于：还包括权利要求1-7中任一所述的二维红外光学干涉仪；所述二维红外光学干涉仪的输入光束由所述飞秒激光器产生；所述二维红外光学干涉仪的输出信号传输到所述红外检测器中并被读取。

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