CN102954839B - 一种时域泵浦探测的光学延迟扫描装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种时域泵浦探测的光学延迟扫描装置及方法，光学延迟扫描装置包括线性平移台、设置于线性平移台上的背靠背设置的泵浦光反射镜组和探测光反射镜组，且泵浦光反射镜组和探测光反射镜组设置方向均保证其光入射或出射方向与线性平移台的移动方向一致。本发明在进行时域泵浦探测时，同时对泵浦光束和探测光束进行光学延迟扫描，解决了时域泵浦探测中光学延迟扫描范围受线性平移台移动范围限制的问题，大幅降低对线性平移台行程的要求，或者在线性平移台行程不变的情况下，大幅提高光学延迟扫描范围。
Description
技术领域
本发明涉及时域泵浦探测领域，具体是一种时域泵浦探测的光学延迟扫描装置及方法。
背景技术
近年来，随着超快激光技术的快速发展，时域泵浦探测（Time-resolved-pump-probe）技术越来越受到人们的重视。时域泵浦探测技术通常是将一束脉冲激光分为一束较强的泵浦光和一束较弱的探测光。其中，泵浦光与待测样品相互作用，引起样品的变化；样品的变化通过探测光来检测。根据检测结果，可以获得样品的信息。这一技术在太赫兹时域光谱分析和成像检测领域、分子和电子动力学分析检测等领域都得到了广泛的应用。
在时域泵浦探测中，通常是通过改变泵浦光路和探测光路之间的光程差（即进行光学延迟扫描）来获得时域信号。因此，光学延迟扫描范围是时域泵浦探测中一个重要的参数，光学延迟扫描范围越大，可观察的时域范围也就越大。并且，在一些时域光谱检测中，如太赫兹光谱检测，时域范围也决定了光谱在频域上的分辨率。时域范围越大，在频域上的分辨率越高。
一般常用的光学延迟扫描装置如图1所示，主要由线性平移台1和光学反射镜组2组成。光学反射镜组2放置于线性平移台1上，并且其激光入射/出射方向与线性平移台1移动方向一致。从激光光源发出的光束被分光装置3分为两路，其中一路经过光学延迟扫描装置。进行光学延迟扫描时，两路光之间的光程差随平移台的移动距离线性地改变。这种方法结构简单，但是，光学延迟扫描范围受到了平移台的移动范围的限制。在设计开发时域泵浦探测的仪器设备时，通常需要采用有一定行程的平移台来保证时域扫描范围达到要求。这就极大地限制了仪器设备向小型化、轻便化发展，也不利于降低成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种时域泵浦探测的光学延迟扫描装置及方法，本装置在进行时域泵浦探测时，同时对泵浦光束和探测光束进行光学延迟扫描，解决了时域泵浦探测中光学延迟扫描范围受线性平移台移动范围限制的问题，大幅降低对线性平移台行程的要求，或者在线性平移台行程不变的情况下，大幅提高光学延迟扫描范围。
本发明的技术方案为：
一种时域泵浦探测的光学延迟扫描装置，包括线性平移台和反射镜组，所述的反射镜组包括有设置于线性平移台上的背靠背设置的泵浦光反射镜组和探测光反射镜组，即泵浦光反射镜组的光入射方向与探测光反射镜组的光出射方向一致，且两者设置方向均保证其光入射或出射方向与线性平移台的移动方向一致。
所述的光学延迟扫描装置还包括有顺次设置于泵浦光反射镜组前端的泵浦光偏振分光装置和泵浦光1/4波片，设置于泵浦光反射镜组后端的第二泵浦光反射装置，顺次设置于探测光反射镜组前端的探测光偏振分光装置和探测光1/4波片，设置于探测光反射镜组后端的第二探测光反射装置。
所述的泵浦光偏振分光装置的前端设置有第一泵浦光反射装置；所述的探测光偏振分光装置的前端设置有第一探测光反射装置。
所述的泵浦光反射镜组为M+1个，且相邻的两个泵浦光反射镜组中的一个的出射端和另一泵浦光反射镜组的入射端相互对应，M为大于0的偶数，首端的泵浦光反射镜组位于泵浦光1/4波片后端，末端泵浦光反射镜组位于第二泵浦光反射装置的前端，且奇数位的泵浦光反射镜组设置于所述的线性平移台上，偶数位的泵浦光反射镜组设置于线性平移台外；所述的探测光反射镜组为M+1个，且相邻的两个探测光反射镜组中的一个的出射端和另一探测光反射镜组的入射端相互对应，M为大于0的偶数，首端探测光反射镜组位于探测光1/4波片的后端，末端探测光反射镜组位于第二探测光反射装置的前端，且奇数位的探测光反射镜组设置于所述的线性平移台上，偶数位的探测光反射镜组设置于线性平移台外。
所述的第一泵浦光反射装置、第二泵浦光反射装置、第一探测光反射装置和第二探测光反射装置均选用激光高反镜。
一种时域泵浦探测的光学延迟扫描方法，包括以下步骤：
（1）、泵浦光束依次经过泵浦光偏振分光装置和泵浦光1/4波片后入射到放置于线性平移台上的泵浦光反射镜组，泵浦光为线偏振光，偏振方向设置为对偏振分光装置处于透射状态，然后经由泵浦光反射镜组出射的泵浦光束入射到第二泵浦光反射装置上，且泵浦光反射镜组的光入射或出射方向与线性平移台的移动方向一致，最后经第二泵浦光反射装置反射后的泵浦光束沿原路返回，再次经过泵浦光反射镜组、泵浦光1/4波片和泵浦光偏振分光装置，并从泵浦光偏振分光装置的反射端输出；
（2）、探测光束依次经过探测光偏振分光装置和探测光1/4波片后入射到放置于线性平移台上的探测光反射镜组，探测光为线偏振光，偏振方向设置为对偏振分光装置处于透射状态，然后经由探测光反射镜组出射的探测光束入射到第二探测光反射装置上，且探测光反射镜组的光入射或出射方向与线性平移台的移动方向一致，最后经第二探测光反射装置反射后的探测光束沿原路返回，再次经过探测光反射镜组、探测光1/4波片和探测光偏振分光装置，并从探测光偏振分光装置的反射端输出；
（3）、当线性平移台沿泵浦光反射镜组的光入射方向平移N米时，则泵浦光束的光程增加4N米，探测光束的的光程减小4N米，即泵浦光束与探测光束之间的光程差改变了8N米；当线性平移台沿泵浦光反射镜组的光出射方向平移N米时，则泵浦光束的光程减小4N米，探测光束的的光程增加4N米，即泵浦光束与探测光束之间的光程差改变了8N米；
一种时域泵浦探测的光学延迟扫描方法，包括以下步骤：
（1）、泵浦光束依次经过泵浦光偏振分光装置和泵浦光1/4波片后入射到首端泵浦光反射镜组，然后依次经过所有的泵浦光反射镜组由末端泵浦光反射镜组出射的泵浦光束入射到第二泵浦光反射装置上，且泵浦光反射镜组的光入射或出射方向与线性平移台的移动方向一致，最后经第二泵浦光反射装置反射后的泵浦光束沿原路返回，再次经过所有的泵浦光反射镜组、泵浦光1/4波片和泵浦光偏振分光装置，并从泵浦光偏振分光装置的反射端输出；
（2）、探测光束依次经过探测光偏振分光装置和探测光1/4波片后入射到首端的探测光反射镜组，然后依次经过所有的探测光反射镜组由末端探测光反射镜组出射的探测光束入射到第二探测光反射装置上，且探测光反射镜组的光入射或出射方向与线性平移台的移动方向一致，最后经第二探测光反射装置反射后的探测光束沿原路返回，再次经过所有探测光反射镜组、探测光1/4波片和探测光偏振分光装置，并从探测光偏振分光装置的反射端输出；
（3）、当线性平移台沿泵浦光反射镜组的光入射方向平移N米时，则泵浦光束的光程增加 2(M+2)N米，探测光束的的光程减小2（M+2)N米，即泵浦光束与探测光束之间的光程差改变了4（M+2）N米；当线性平移台沿泵浦光反射镜组的光出射方向平移N米时，则泵浦光束的光程减少2(M+2)N米，探测光束的的光程增加2(M+2)N米，即泵浦光束与探测光束之间的光程差改变了4（M+2）N米。
本发明的优点为：
（1）、本发明通过同时对泵浦光束和探测光束进行光学延迟扫描，在泵浦光束光程增加的同时，探测光束的光程相应的减小，解决了时域泵浦探测中光学延迟扫描范围受线性平移台移动范围限制的问题，大幅降低对线性平移台行程的要求，或者在线性平移台行程不变的情况下，大幅提高光学延迟扫描范围；
（2）、本发明将光学反射镜组和探测光偏振分光装置、探测光1/4波片、光反射装置组合使用，或同时设置多个光学延迟装置，使光束的光程减小或增加量是线性平移台移动路程的多倍，从而进一步降低对线性平移台行程的要求，或者在线性平移台行程不变的情况下，大幅提高光学延迟扫描范围。
附图说明
图1是现有的时域泵浦探测的光学延迟扫描装置。
图2是本发明实施例1中的结构示意图。
图3是本发明实施例2中的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
一种时域泵浦探测的光学延迟扫描装置，包括线性平移台6，设置于线性平移台6上背靠背设置的泵浦光反射镜组4和探测光反射镜组10，顺次设置于泵浦光反射镜组4前端的第一泵浦光高反镜1、泵浦光偏振分光装置2和泵浦光1/4波片3，设置于泵浦光反射镜组4后端的第二泵浦光高反镜5，顺次设置于探测光反射镜组10前端的第一探测光高反镜7、探测光偏振分光装置8和探测光1/4波片9，设置于探测光反射镜组10后端的第二探测光高反镜11；泵浦光反射镜组4的光入射(出射)方向与探测光反射镜组10的光出射(入射)方向一致，且两者设置方向均保证其光入射或出射方向与线性平移台6的移动方向一致。
一种时域泵浦探测的光学延迟扫描方法，包括以下步骤：
（1）、泵浦光束依次经过第一泵浦光高反镜1、泵浦光偏振分光装置2和泵浦光1/4波片3后入射到放置于线性平移台6上的泵浦光反射镜组4上，然后由泵浦光反射镜组4出射的泵浦光束入射到第二泵浦光高反镜5上，且泵浦光反射镜组4的光入射或出射方向与线性平移台6的移动方向一致，最后经第二泵浦光高反镜5反射后的泵浦光束沿原路返回,再次经过泵浦光反射镜组4、泵浦光1/4波片3和泵浦光偏振分光装置2，并从泵浦光偏振分光装置2的反射端输出；
（2）、探测光束依次经过第一探测光高反镜7、探测光偏振分光装置8和探测光1/4波片9后入射到放置于线性平移台6上的探测光反射镜组10上，然后由探测光反射镜组10出射的探测光束入射到第二探测光高反镜11上，且探测光反射镜组10的光入射或出射方向与线性平移台6的移动方向一致，最后经第二探测光高反镜11反射后的探测光束沿原路返回,再次经过探测光反射镜组10、探测光1/4波片9和探测光偏振分光装置8，并从探测光偏振分光装置8的反射端输出；
（3）、当线性平移台沿泵浦光反射镜组的光入射（出射）方向平移N米时，则泵浦光束的光程增加（减小）4N米，探测光束的的光程减小（增加）4N米，即泵浦光束与探测光束之间的光程差改变了8N米。
实施例2
一种时域泵浦探测的光学延迟扫描装置，包括线性平移台8，三个顺次设置的泵浦光反射镜组4、5、6，三个顺次设置的探测光反射镜组12、13、14，顺次设置于首端泵浦光反射镜组4前端的第一泵浦光高反镜1、泵浦光偏振分光装置2和泵浦光1/4波片3，设置于末端泵浦光反射镜组6后端的第二泵浦光高反镜7，顺次设置于首端探测光反射镜组12前端的第一探测光高反镜9、探测光偏振分光装置10和探测光1/4波片11，设置于末端探测光反射镜组14后端的第二探测光高反镜15；
首端泵浦光反射镜组4、末端泵浦光反射镜组6、首端探测光反射镜组12和末端探测光反射镜组14均设置于线性平移台8上，中间的泵浦光反射镜组5设置于线性平移台8外且其光入射端相对首端泵浦光反射镜组4的光出射端，其光出射端相对末端泵浦光反射镜组6的光入射端，中间的探测光反射镜组13设置于线性平移台8外且其光入射端相对首端探测光反射镜组12的光出射端，其光出射端相对末端探测光反射镜组14的光入射端；首端泵浦光反射镜组4的光入射方向与首端探测光反射镜组12的光出射方向一致，且两者设置方向均保证其光入射或出射方向与线性平移台8的移动方向一致。
一种时域泵浦探测的光学延迟扫描方法，包括以下步骤：
（1）、泵浦光束依次经过第一泵浦光高反镜1、泵浦光偏振分光装置2和泵浦光1/4波片3后入射到首端泵浦光反射镜组4上，然后依次经过三个泵浦光反射镜组4、5、6由末端泵浦光反射镜组6出射的泵浦光束入射到第二泵浦光高反镜7上，最后经第二泵浦光高反镜反射后的泵浦光束沿原路返回, 再次经过三个泵浦光反射镜组6、5、4、泵浦光1/4波片3和泵浦光偏振分光装置2，并从泵浦光偏振分光装置2的反射端输出；
（2）、探测光束依次经过第一探测光高反镜9、探测光偏振分光装置10和探测光1/4波片11后入射到首端探测光反射镜组12上，然后依次经过三个探测光反射镜组12、13、14由末端探测光反射镜组14出射的探测光束入射到第二探测光高反镜15上，最后经第二探测光高反镜15反射后的探测光束沿原路返回,再次经过三个探测光反射镜组14、13、12、探测光1/4波片11和探测光偏振分光装置10，并从探测光偏振分光装置10的反射端输出；
（3）、当线性平移台沿泵浦光反射镜组的光入射（出射）方向平移N米时，则泵浦光束的光程增加（减少）(2M+2)N米，探测光束的的光程减小（增加）(2M+2)N米；即泵浦光束与探测光束之间的光程差改变了4（M+2）N米。
经过以上光学延迟扫描装置的泵浦光和探测光再分别经过各自的光路后到达待测样品，通过进行平移台扫描完成时域泵浦探测的测量。在应用时域泵浦探测技术进行分子或电子等的动力学检测时，使用本发明可以大大增加检测的时域范围或提高扫描检测的速度。在使用本发明进行太赫兹时域光谱检测时，可以大大提高在频域上的光谱分辨率，因此具有很高的实用性。
Claims (7)
1.一种时域泵浦探测的光学延迟扫描装置，包括线性平移台和反射镜组，其特征在于：所述的反射镜组包括有设置于线性平移台上的背靠背设置的泵浦光反射镜组和探测光反射镜组，即泵浦光反射镜组的光入射方向与探测光反射镜组的光出射方向一致，且两者设置方向均保证其光入射或出射方向与线性平移台的移动方向一致。
2.根据权利要求1所述的一种时域泵浦探测的光学延迟扫描装置，其特征在于：所述的光学延迟扫描装置还包括有顺次设置于泵浦光反射镜组前端的泵浦光偏振分光装置和泵浦光1/4波片，设置于泵浦光反射镜组后端的第二泵浦光反射装置，顺次设置于探测光反射镜组前端的探测光偏振分光装置和探测光1/4波片，设置于探测光反射镜组后端的第二探测光反射装置。
3.根据权利要求2所述的一种时域泵浦探测的光学延迟扫描装置，其特征在于：所述的泵浦光偏振分光装置的前端设置有第一泵浦光反射装置；所述的探测光偏振分光装置的前端设置有第一探测光反射装置。
4.根据权利要求2所述的一种时域泵浦探测的光学延迟扫描装置，其特征在于：所述的泵浦光反射镜组为M+1个，且相邻的两个泵浦光反射镜组中的一个的出射端和另一泵浦光反射镜组的入射端相互对应，M为大于0的偶数，首端的泵浦光反射镜组位于泵浦光1/4波片后端，末端泵浦光反射镜组位于第二泵浦光反射装置的前端，且奇数位的泵浦光反射镜组设置于所述的线性平移台上，偶数位的泵浦光反射镜组设置于线性平移台外；所述的探测光反射镜组为M+1个，且相邻的两个探测光反射镜组中的一个的出射端和另一探测光反射镜组的入射端相互对应，M为大于0的偶数，首端探测光反射镜组位于探测光1/4波片的后端，末端探测光反射镜组位于第二探测光反射装置的前端，且奇数位的探测光反射镜组设置于所述的线性平移台上，偶数位的探测光反射镜组设置于线性平移台外。
5.根据权利要求3所述的一种时域泵浦探测的光学延迟扫描装置，其特征在于：所述的第一泵浦光反射装置、第二泵浦光反射装置、第一探测光反射装置和第二探测光反射装置均选用激光高反镜。
6.一种权利要求2所述的时域泵浦探测的光学延迟扫描装置的扫描方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、泵浦光束依次经过泵浦光偏振分光装置和泵浦光1/4波片后入射到放置于线性平移台上的泵浦光反射镜组，泵浦光为线偏振光，偏振方向设置为对偏振分光装置处于透射状态，然后经由泵浦光反射镜组出射的泵浦光束入射到第二泵浦光反射装置上，且泵浦光反射镜组的光入射或出射方向与线性平移台的移动方向一致，最后经第二泵浦光反射装置反射后的泵浦光束沿原路返回，再次经过泵浦光反射镜组、泵浦光1/4波片和泵浦光偏振分光装置，并从泵浦光偏振分光装置的反射端输出；
（2）、探测光束依次经过探测光偏振分光装置和探测光1/4波片后入射到放置于线性平移台上的探测光反射镜组，探测光为线偏振光，偏振方向设置为对偏振分光装置处于透射状态，然后经由探测光反射镜组出射的探测光束入射到第二探测光反射装置上，且探测光反射镜组的光入射或出射方向与线性平移台的移动方向一致，最后经第二探测光反射装置反射后的探测光束沿原路返回，再次经过探测光反射镜组、探测光1/4波片和探测光偏振分光装置，并从探测光偏振分光装置的反射端输出；
（3）、当线性平移台沿泵浦光反射镜组的光入射方向平移N米时，则泵浦光束的光程增加4N米，探测光束的的光程减小4N米，即泵浦光束与探测光束之间的光程差改变了8N米；当线性平移台沿泵浦光反射镜组的光出射方向平移N米时，则泵浦光束的光程减小4N米，探测光束的的光程增加4N米，即泵浦光束与探测光束之间的光程差改变了8N米。
7.一种权利要求4所述的时域泵浦探测的光学延迟扫描装置的扫描方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、泵浦光束依次经过泵浦光偏振分光装置和泵浦光1/4波片后入射到首端泵浦光反射镜组，然后依次经过所有的泵浦光反射镜组由末端泵浦光反射镜组出射的泵浦光束入射到第二泵浦光反射装置上，且泵浦光反射镜组的光入射或出射方向与线性平移台的移动方向一致，最后经第二泵浦光反射装置反射后的泵浦光束沿原路返回，再次经过所有的泵浦光反射镜组、泵浦光1/4波片和泵浦光偏振分光装置，并从泵浦光偏振分光装置的反射端输出；
（2）、探测光束依次经过探测光偏振分光装置和探测光1/4波片后入射到首端的探测光反射镜组，然后依次经过所有的探测光反射镜组由末端探测光反射镜组出射的探测光束入射到第二探测光反射装置上，且探测光反射镜组的光入射或出射方向与线性平移台的移动方向一致，最后经第二探测光反射装置反射后的探测光束沿原路返回，再次经过所有探测光反射镜组、探测光1/4波片和探测光偏振分光装置，并从探测光偏振分光装置的反射端输出；
（3）、当线性平移台沿泵浦光反射镜组的光入射方向平移N米时，则泵浦光束的光程增加 2(M+2)N米，探测光束的的光程减小2（M+2)N米，即泵浦光束与探测光束之间的光程差改变了4（M+2）N米；当线性平移台沿泵浦光反射镜组的光出射方向平移N米时，则泵浦光束的光程减少2(M+2)N米，探测光束的的光程增加2(M+2)N米，即泵浦光束与探测光束之间的光程差改变了4（M+2）N米。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |