CN104614072A - 基于全反射镜的二维光谱测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于全反射镜的二维光谱测量装置，包括：分束挡板、方形柱体四面反射镜、第一延时反射镜、第二延时反射镜、第三延时反射镜、第四延时反射镜、空间滤波器、衰减片、第一凹面反射镜、样品、第二凹面反射镜、挡光板和光谱测量装置，本发明无透射元件，故没有透射带来的色散效应和窄光谱限制，同时消除了光束延时调节时所带来的光束移位问题，使得装置更加紧凑，稳定，可以在很宽的光谱范围内进行光谱探测。在同一装置上还可以同时探测样品的泵浦-探测光谱，用于二维光谱的相位校正。

Description

基于全反射镜的二维光谱测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及光谱测量，具体涉及一种基于全反射的二维光谱测量装置及测量方法。

背景技术

二维光谱是最近几十年间才发展起来的，特别是二维电子光谱，是最近十多年才发展起来的。相比于一维光谱，两个维度都是频率的二维光谱能揭示隐藏在一维光谱下的一些信息。二维光谱被广泛应用于探测物质的电子和振动能级，解析分子结构；探测光合物质的光合作用过程；半导体的量子井结构等。

目前，用于二维光谱测量的大部分装置，产生四束激光所用的方法都是借助分束片来进行，由于分束片本身对适用波长的限制，使得装置不能在一个很大的光谱范围内进行测量。而且分束片有可能会引入色散，从而影响最终的测量结果。虽然有人提出使用全反射镜来进行测量[参见文献1：Zhang Y,Meyer K,Ott C,et al.Passively phase-stable monolithic all-reflectivetwo-dimensional electronic spec-troscopy based on a 4-quadrantmirror[C]//Journal of Physics:Conference Series.IOP Publishing,2014,488(14):142001.]，但是其装置为了保证在平移台移动的时候，反射光束位置有较小的偏移量，就必须让4块反射镜的倾角较小，这样做又必须需要较长的光程来区分延时前、后光束，从而导致了光束的发散过大而使得四束光束产生混合，影响后面测量。

发明内容

为了克服上述技术存在的问题，本发明旨在提供一种能够在宽光谱范围内测量二维光谱的实验装置。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于全反射镜的二维光谱测量装置，特点在于其构成包括：分束挡板、方形柱体四面反射镜、第一延时反射镜、第二延时反射镜、第三延时反射镜、第四延时反射镜、空间滤波器、衰减片、第一凹面反射镜、样品、第二凹面反射镜、挡光板和光谱测量装置，所述的方形柱体四面反射镜是方形柱体四个外侧面均为反射镜的反射体，所述的第一延时反射镜、第二延时反射镜、第三延时反射镜、第四延时反射镜均由两个反射镜面构成，两个镜面之间的角度相等，沿入射激光的方向依次是所述的分束挡板和方形柱体四面反射镜，所述的入射激光光束的中心与所述的分束挡板上四个小孔组成的矩形的中心重合，所述的方形柱体四面反射镜的轴线竖直且一相对的边棱与过所述的分束挡板的中心的对称轴共平面，在所述的方形柱体四面反射镜的两侧的上下分别设置所述的第一延时反射镜、第二延时反射镜、第三延时反射镜和第四延时反射镜，所述的第一延时反射镜、第二延时反射镜、第三延时反射镜和第四延时反射镜分别安装在各自的可控平移台上，使由所述的入射激光经所述的分束挡板的四个小孔出射的四束平行光束：参考光束、a光束、b光束和c光束，分别入射并经所述的方形柱体四面反射镜两邻面反射，再分别经所述的第一延时反射镜、第二延时反射镜、第三延时反射镜和第四延时反射镜反射射向到所述的方形柱体四面反射镜的另两邻面，反射后仍为四束平行光束，在该四束平行光束方向依次是所述的空间滤波器、第一凹面反射镜、样品、第二凹面反射镜、挡光板和光谱测量装置，所述的第一凹面反射镜和第二凹面反射镜相对且共焦平面，所述的样品位于第一凹面反射镜和第二凹面反射镜的共焦平面处，所述的衰减片处于所述的样品之前的参考光路上，所述的四束激光入射到第一凹面反射镜上聚焦到样品上，经过样品的四束激光又经过第二凹面反射镜重新变为四束平行光束，该四束平行光束经过所述的挡光板后，只让所述的参考光和信号光通过，最后入射到光谱仪。

所述的第一延时反射镜、第二延时反射镜、第三延时反射镜、第四延时反射镜均由两个反射镜面构成，两个镜面之间的角度为直角。

利用上述二维光谱测量装置进行二维光谱测量的方法，该方法包括下列步骤：

1)校准光路：将所述的样品替换为CCD，移动CCD的位置，使得CCD位于第一凹面反射镜的焦平面处，此时四束激光应在CCD上重合，否则，通过调整所述的不重合光束所经过的所述的第一延时反射镜、第二延时反射镜、第三延时反射镜、第四延时反射镜，直到四束激光重合为止；确定通过所述的第一延时反射镜、第二延时反射镜、第三延时反射镜、第四延时反射镜的光束分别为参考光束、a光束、b光束、c光束，然后在分束挡板上遮挡两个小孔，只让参考光束、a光束两束光束通过，调节第二延时反射镜所对应的延时反射镜的平移台，直到CCD上产生干涉条纹，此时说明两光束已经在时间空间上重合；再遮挡掉该a光束，保留参考光束，放开刚刚遮挡的两光束的其中b光束，调节该b光束所对应的第三延时反射镜的平移台，直至CCD上同样出现干涉条纹；以同样的方法调节最后c束光的第四延时反射镜的平移台，直至CCD上同样出现干涉条纹，完毕后四束光在CCD的位置上应是时间空间都重合；然后撤下CCD，将样品放置在第一凹面反射镜的焦平面处，此时由于a光束、b光束、c光束的激发，样品会产生信号光，信号光的方向和参考光的方向一致；在样品前的参考光路中插入所述的衰减片，使所述的参考光的强度与所述的信号光相当；

2)经过样品后的四束激光入射到第二凹面反射镜上后重新变为四束平行光束，然后利用带有小孔的挡光板只让参考光和信号光通过，此时参考光和信号光在空间上是重合的；

3)利用光谱仪探测参考光和信号光的光谱干涉条纹：调节参考光所对应的第一延时反射镜平移台，确保参考光是最先入射到样品上，同时应保证干涉条纹的密度适当，调节光路的时候可以先遮挡参考光，用光谱仪查看是否有信号光，如果没有，微调样品的位置，确保样品的确位于焦平面上，所述的信号光理应是a光束、b光束和c光束共同产生的非线性信号，遮挡其中任一束光之后不应该产生信号光；

4)在观测到干涉条纹之后，利用光谱仪对样品进行数据的采集，方法如下：

第一步：移动第二延时反射镜的平移台、第三延时反射镜的平移台和第四延时反射镜的平移台，使a光束，b光束均领先于c光束，领先的时间间隔记为T，T可取值为0-几百飞秒，此时a光束和b光束之间的延时为0；

第二步：移动第二延时反射镜的平移台，令a光束领先b光束时间τ；然后移动第二延时反射镜的平移台，令a光束以固定步长Δt向b光束靠近，直至重合，每移动一次第二延时反射镜的平移台，所述的光谱仪采集一次干涉条纹；此过程除a光束外，其他光束都不应发生改变；

第三步：移动第三延时反射镜的平移台，令b光束领先a光束时间τ，并确保a光束和光束c之间的延时仍然是T；然后移动第三延时反射镜的平移台，令b光束以固定步长Δt向a光束靠近，直至重合；每移动一次第三延时反射镜的平移台，所述的光谱仪采集一次干涉条纹；此过程除b光束外，其他光束都不应发生改变；

第四步：遮挡b光束和参考光束，此时a光束仍领先c光束时间T；令c光束为探测光，a光束为泵浦光，所述的光谱仪进行泵浦探测，得到样品的泵浦探测吸收光谱，用于二维光谱的相位校正。

本发明的技术效果如下：

四束激光经过安装于平移台上的反射镜之后会产生不同的延时，这样聚焦到样品的四束光虽然在空间上是重合的，但是在时间上都是分散的[参见说明书附图2中的参考光、光束a，光束b，光束c]。其中参考光是最先入射到样品上的，随后依次是光束a，光束b，光束c。光束a和光束b的延时是τ，光束b和光束c的延时是T。延时可以用平移台精确控制到几百阿秒量级。样品经过光束a、b、c照射之后，由于非线性效应，会在位相匹配的方向上产生一个信号光，由于光束a，b，c是在同一个矩形的三个顶角上，位相匹配角正好在矩形的第四个顶角，也就是和参考光的光路一致，故信号光也会入射到光谱仪上，与参考光形成光谱干涉条纹，用于外差法探测。

在本发明中，四个侧面均为反射镜的方形柱体反射镜将四束激光分成两部分，两部分分别朝向不同的方向，然后经过平移台上的反射镜后重新入射到方形柱体反射镜上。当平移台移动的方向和入射在平移台反射镜上的激光方向平行的时候，即使在平移台有位移的时候，反射光束的位置也不会产生移动。这样就保证了出射四束光束还是在同一个矩形上，确保了信号光产生的方向不会因为平移台的移动而产生变化，使得信号光始终能与参考光的光路重合。使用这样的设计就不必需要很长的光程来区分延时前、后的光束，大大减小了因为光程过长导致的光束光斑发散，有利于后面光路的测量，整个装置也可以做得紧凑。

在本发明中，空间滤波器的四个小孔的中心同样位于矩形的四个顶角之上，且该矩形大小和分束挡板中四个孔形成的矩形大小应该一致。空间滤波器的小孔可以比分束挡板中的小孔略大。第一凹面反射镜和第二凹面反射镜)的焦平面重合。

本发明在数据采集的时候需要不断地移动平移台来调节光束a和光束b之间的延时τ，所以需要编程控制平移台和光谱仪来自动完成数据的采集。

本发明没有使用分束片等透射元件，减少了透射元件可能引入的色散。因为使用的都是反射镜元件，本发明可以在紫外到近红外一个很宽的光谱范围内进行测量。同时本发明所述的延时平移台的移动不会造成信号光方向的偏移，有助于干涉光谱的稳定。

附图说明

图1是本发明基于全反射镜的二维光谱测量装置的光路示意图

图2是入射到样品上的四光束的时序示意图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明基于全反射镜的二维光谱测量装置的光路示意图，由图可见，本发明基于全反射镜的二维光谱测量装置，构成包括：分束挡板1、方形柱体四面反射镜2、第一延时反射镜3、第二延时反射镜4、第三延时反射镜5、第四延时反射镜6、空间滤波器7、衰减片8、第一凹面反射镜9、样品10、第二凹面反射镜11、挡光板12和光谱仪13，所述的方形柱体四面反射镜2是方形柱体四个外侧面均为反射镜的反射体，所述的第一延时反射镜3、第二延时反射镜4、第三延时反射镜5、第四延时反射镜6均由两个反射镜面构成，两个镜面之间的角度相等，沿入射激光的方向依次是所述的分束挡板1和方形柱体四面反射镜2，所述的入射激光光束的中心与所述的分束挡板1上四个小孔组成的矩形的中心重合，所述的方形柱体四面反射镜2的轴线竖直且一相对的边棱与过所述的分束挡板1的中心的对称轴共平面，在所述的方形柱体四面反射镜2的两侧的上下分别设置所述的第一延时反射镜3、第二延时反射镜4、第三延时反射镜5和第四延时反射镜6，所述的第一延时反射镜3、第二延时反射镜4、第三延时反射镜5和第四延时反射镜6分别安装在各自的可控平移台上，使由所述的入射激光经所述的分束挡板1的四个小孔出射的四束平行光束：参考光束、a光束、b光束和c光束，分别入射并经所述的方形柱体四面反射镜2两邻面反射，再分别经所述的第一延时反射镜3、第二延时反射镜4、第三延时反射镜5和第四延时反射镜6反射射向到所述的方形柱体四面反射镜2的另两邻面，反射后仍为四束平行光束，在该四束平行光束方向依次是所述的空间滤波器7、第一凹面反射镜9、样品10、第二凹面反射镜11、挡光板12和光谱仪13，所述的第一凹面反射镜9和第二凹面反射镜11相对且共焦平面，所述的样品10位于第一凹面反射镜9和第二凹面反射镜11的共焦平面处，所述的衰减片8处于所述的样品10之前的参考光路上，所述的四束激光入射到第一凹面反射镜9上聚焦到样品10上，经过样品10的四束激光又经过第二凹面反射镜11重新变为四束平行光束，该四束平行光束经过所述的挡光板12后，只让所述的参考光和信号光通过，最后入射到光谱仪13。

利用上述的二维光谱测量装置进行二维光谱测量的方法，该方法包括下列步骤：

1)校准光路：将所述的样品10替换为CCD，移动CCD的位置，使得CCD位于第一凹面反射镜9的焦平面处，此时四束激光应在CCD上重合，否则，通过调整所述的不重合光束所经过的所述的第一延时反射镜3、第二延时反射镜4、第三延时反射镜5、第四延时反射镜6，直到四束激光重合为止；确定通过所述的第一延时反射镜3、第二延时反射镜4、第三延时反射镜5、第四延时反射镜6的光束分别为参考光束、a光束、b光束、c光束，然后在分束挡板1上遮挡两个小孔，只让参考光束、a光束两束光束通过，调节第二延时反射镜4所对应的延时反射镜的平移台，直到CCD上产生干涉条纹，此时说明两光束已经在时间空间上重合；再遮挡掉该a光束，保留参考光束，放开刚刚遮挡的两光束的其中b光束，调节该b光束所对应的第三延时反射镜的平移台，直至CCD上同样出现干涉条纹；以同样的方法调节最后c束光的第四延时反射镜的平移台，直至CCD上同样出现干涉条纹，完毕后四束光在CCD的位置上应是时间空间都重合；然后撤下CCD，将样品10放置在第一凹面反射镜9的焦平面处，此时由于a光束、b光束、c光束的激发，样品10会产生信号光，信号光的方向和参考光的方向一致；在样品10前的参考光路中插入所述的衰减片8，使所述的参考光的强度与所述的信号光相当；

2)经过样品10后的四束激光入射到第二凹面反射镜11上后重新变为四束平行光束，然后利用带有小孔的挡光板12只让参考光和信号光通过，此时参考光和信号光在空间上是重合的；

3)利用光谱仪探测参考光和信号光的光谱干涉条纹：调节参考光所对应的第一延时反射镜3平移台，确保参考光是最先入射到样品上，同时应保证干涉条纹的密度适当，调节光路的时候可以先遮挡参考光，用光谱仪13查看是否有信号光，如果没有，微调样品10的位置，确保样品的确位于焦平面上，所述的信号光理应是a光束、b光束和c光束共同产生的非线性信号，遮挡其中任一束光之后不应该产生信号光；

4)在观测到干涉条纹之后，利用光谱仪13对样品(10)进行数据的采集，方法如下：

第一步：移动第二延时反射镜4的平移台、第三延时反射镜5的平移台和第四延时反射镜6的平移台，使a光束，b光束均领先于c光束，领先的时间间隔记为T，T可取值为0-几百飞秒，此时a光束和b光束之间的延时为0；

第二步：移动第二延时反射镜4的平移台，令a光束领先b光束时间τ；然后移动第二延时反射镜4的平移台，令a光束以固定步长Δt向b光束靠近，直至重合，每移动一次第二延时反射镜4的平移台，所述的光谱仪13采集一次干涉条纹；此过程除a光束外，其他光束都不应发生改变；

第三步：移动第三延时反射镜5的平移台，令b光束领先a光束时间τ，并确保a光束和光束c之间的延时仍然是T；然后移动第三延时反射镜5的平移台，令b光束以固定步长Δt向a光束靠近，直至重合；每移动一次第三延时反射镜5的平移台，所述的光谱仪13采集一次干涉条纹；此过程除b光束外，其他光束都不应发生改变；

第四步：遮挡b光束和参考光束，此时a光束仍领先c光束时间T；令c光束为探测光，a光束为泵浦光，所述的光谱仪13进行泵浦探测，得到样品10的泵浦探测吸收光谱，用于二维光谱的相位校正。

实施例中所述的第一延时反射镜3、第二延时反射镜4、第三延时反射镜5、第四延时反射镜6都是直角反射镜。

在本实施例上假定入射在第一延时反射镜(3)上的为参考光；入射在第二延时反射镜(4)上的为光束a；入射在第三延时反射镜(5)上的为光束c；入射在第四延时反射镜(6)上的为光束b。分别调节第一延时反射镜3、第二延时反射镜4、第三延时反射镜5、第四延时反射镜6，使得出射的四束光束能分别通过空间滤波器7，且四束激光通过孔的位置应和分束挡板1上的位置相互对应。由此保证出射后的四束光束仍然是相互平行，且仍然位于矩形的四个顶点上。

在本实例上，用于衰减参考光的衰减片放置在空间滤波器7后。衰减后的参考光强的数量级应和信号光相当。

此时由于光束a、b、c的激发，样品会产生信号光，信号光的方向和参考光的方向一致。

以上所得到的数据可以用于计算样品的二维光谱。

Claims (3)

1.一种基于全反射镜的二维光谱测量装置，特征在于其构成包括：分束挡板(1)、方形柱体四面反射镜(2)、第一延时反射镜(3)、第二延时反射镜(4)、第三延时反射镜(5)、第四延时反射镜(6)、空间滤波器(7)、衰减片(8)、第一凹面反射镜(9)、样品(10)、第二凹面反射镜(11)、挡光板(12)和光谱测量装置(13)，所述的方形柱体四面反射镜(2)是方形柱体四个外侧面均为反射镜的反射体，所述的第一延时反射镜(3)、第二延时反射镜(4)、第三延时反射镜(5)、第四延时反射镜(6)均由两个反射镜面构成，两个镜面之间的角度相等，沿入射激光的方向依次是所述的分束挡板(1)和方形柱体四面反射镜(2)，所述的入射激光光束的中心与所述的分束挡板(1)上四个小孔组成的矩形的中心重合，所述的方形柱体四面反射镜(2)的轴线竖直且一相对的边棱与过所述的分束挡板(1)的中心的对称轴共平面，在所述的方形柱体四面反射镜(2)的两侧的上下分别设置所述的第一延时反射镜(3)、第二延时反射镜(4)、第三延时反射镜(5)和第四延时反射镜(6)，所述的第一延时反射镜(3)、第二延时反射镜(4)、第三延时反射镜(5)和第四延时反射镜(6)分别安装在各自的可控平移台上，使由所述的入射激光经所述的分束挡板(1)的四个小孔出射的四束平行光束：参考光束、a光束、b光束和c光束，分别入射并经所述的方形柱体四面反射镜(2)两邻面反射，再分别经所述的第一延时反射镜(3)、第二延时反射镜(4)、第三延时反射镜(5)和第四延时反射镜(6)反射射向到所述的方形柱体四面反射镜(2)的另两邻面，反射后仍为四束平行光束，在该四束平行光束方向依次是所述的空间滤波器(7)、第一凹面反射镜(9)、样品(10)、第二凹面反射镜(11)、挡光板(12)和光谱测量装置(13)，所述的第一凹面反射镜(9)和第二凹面反射镜(11)相对且共焦平面，所述的样品(10)位于第一凹面反射镜(9)和第二凹面反射镜(11)的共焦平面处，所述的衰减片(8)处于所述的样品(10)之前的参考光路上，所述的四束激光入射到第一凹面反射镜(9)上聚焦到样品(10)上，经过样品(10)的四束激光又经过第二凹面反射镜(11)重新变为四束平行光束，该四束平行光束经过所述的挡光板(12)后，只让所述的参考光和信号光通过，最后入射到光谱仪(13)。

2.根据权利要求1所述的二维光谱测量装置，其特征在于所述的所述的第一延时反射镜(3)、第二延时反射镜(4)、第三延时反射镜(5)、第四延时反射镜(6)均由两个反射镜面构成，两个镜面之间的角度为直角。

3.利用权利要求1所述的二维光谱测量装置进行二维光谱测量的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1)校准光路：将所述的样品(10)替换为CCD，移动CCD的位置，使得CCD位于第一凹面反射镜(9)的焦平面处，此时四束激光应在CCD上重合，否则，通过调整所述的不重合光束所经过的所述的第一延时反射镜(3)、第二延时反射镜(4)、第三延时反射镜(5)、第四延时反射镜(6)，直到四束激光重合为止；

确定通过所述的第一延时反射镜(3)、第二延时反射镜(4)、第三延时反射镜(5)、第四延时反射镜(6)的光束分别为参考光束、a光束、b光束、c光束，然后在分束挡板(1)上遮挡两个小孔，只让参考光束、a光束两束光束通过，调节第二延时反射镜(4)所对应的延时反射镜的平移台，直到CCD上产生干涉条纹，此时说明两光束已经在时间空间上重合；再遮挡掉该a光束，保留参考光束，放开刚刚遮挡的两光束的其中b光束，调节该b光束所对应的第三延时反射镜的平移台，直至CCD上同样出现干涉条纹；以同样的方法调节最后c束光的第四延时反射镜的平移台，直至CCD上同样出现干涉条纹，完毕后四束光在CCD的位置上应是时间空间都重合；然后撤下CCD，将样品(10)放置在第一凹面反射镜(9)的焦平面处，此时由于a光束、b光束、c光束的激发，样品(10)会产生信号光，信号光的方向和参考光的方向一致；在样品(10)前的参考光路中插入所述的衰减片(8)，使所述的参考光的强度与所述的信号光相当；

2)经过样品(10)后的四束激光入射到第二凹面反射镜(11)上后重新变为四束平行光束，然后利用带有小孔的挡光板(12)只让参考光和信号光通过，此时参考光和信号光在空间上是重合的；

3)利用光谱仪探测参考光和信号光的光谱干涉条纹：调节参考光所对应的第一延时反射镜(3)平移台，确保参考光是最先入射到样品上，同时应保证干涉条纹的密度适当，调节光路的时候可以先遮挡参考光，用光谱仪(13)查看是否有信号光，如果没有，微调样品(10)的位置，确保样品的确位于焦平面上，所述的信号光理应是a光束、b光束和c光束共同产生的非线性信号，遮挡其中任一束光之后不应该产生信号光；

4)在观测到干涉条纹之后，利用光谱仪(13)对样品(10)进行数据的采集，方法如下：

第一步：移动第二延时反射镜(4)的平移台、第三延时反射镜(5)的平移台和第四延时反射镜(6)的平移台，使a光束，b光束均领先于c光束，领先的时间间隔记为T，T可取值为0-几百飞秒，此时a光束和b光束之间的延时为0；

第二步：移动第二延时反射镜(4)的平移台，令a光束领先b光束时间τ；然后移动第二延时反射镜(4)的平移台，令a光束以固定步长Δt向b光束靠近，直至重合，每移动一次第二延时反射镜(4)的平移台，所述的光谱仪(13)采集一次干涉条纹；此过程除a光束外，其他光束都不应发生改变；

第三步：移动第三延时反射镜(5)的平移台，令b光束领先a光束时间τ，并确保a光束和光束c之间的延时仍然是T；然后移动第三延时反射镜(5)的平移台，令b光束以固定步长Δt向a光束靠近，直至重合；每移动一次第三延时反射镜(5)的平移台，所述的光谱仪(13)采集一次干涉条纹；此过程除b光束外，其他光束都不应发生改变；

第四步：遮挡b光束和参考光束，此时a光束仍领先c光束时间T；令c光束为探测光，a光束为泵浦光，所述的光谱仪(13)进行泵浦探测，得到样品(10)的泵浦探测吸收光谱，用于二维光谱的相位校正。