CN105043987B - 一种测量光子回波光谱的实验装置 - Google Patents

Abstract

一种测量光子回波光谱的实验装置，涉及一种测量多维光谱的实验装置。为了解决现有的二维电子光谱中主动相位稳定装置系统庞大、成本较高、应用范围有限的问题和现有的被动的相位稳定装置几乎对信号光强度较低的微弱信号进行探测的准确度不高、偏振较难控制的问题。本发明的装置包括：飞秒激光器、光学参量放大器、衰减片、反射镜、起偏器、分束片、时间延迟装置、透镜、衍射光栅、楔形棱镜对、抛物镜、样品池、空间光阑滤波器、凹面镜、检偏器、合束镜、光谱仪、CCD阵列探测器、计算机；本发明适用于光子回波光谱的探测。

Description

一种测量光子回波光谱的实验装置

技术领域

本发明涉及一种测量多维光谱的实验装置。

背景技术

光子回波光谱技术是从多维的核磁共振技术发展而来的，是一种多维的非线性光学技术。光子回波技术可以研究复杂分子的详细结构信息以及超快动力学过程。在双脉冲光子回波中，第一束脉冲面积为π/2的超短激光脉冲入射到样品分子中，形成样品分子的电子基态与电子激发态之间的光学相干态。一般地，宏观电极化P的强度可以用来描述这个光学相干态。之后，电极化强度开始迅速地衰减，衰减速率包括超快和超慢两个部分。第二束脉冲面积为π的超短激光脉冲入射到样品分子后，两束脉冲之间的时间间隔用光学延时t₁₂表示，电极化强度的相位经过时间t₁₂后又达成一致，于2k₂-k₁波矢方向辐射出光子，这就是双脉冲光子回波。k₁、k₂分别是第一束和第二束超短激光脉冲的波矢。在三脉冲光子回波中，第一束脉冲面积为π/2的超短激光脉冲仍然入射到样品分子中，样品分子形成宏观电极化强度并迅速衰减。第二束脉冲面积为π/2的激光脉冲与样品分子发生相互作用，此时样品分子的相干态信息储存起来，第三束脉冲也为π/2的激光脉冲入射到样品分子，使得前面因为非均匀展宽而引起的电极化强度相位的不一致重新开始复相。第二束与第三束激光脉冲之间的时间间隔用光学延时t₂₃表示。当第三束激光脉冲与样品分子作用t₁₂之后，宏观电极化强度相位将重新达到一致，这时样品分子于-k₁+k₂+k₃波矢方向辐射出光子，这就是三脉冲光子回波。当第三束激光脉冲的波长与前面两束的波长不相同时，辐射出的光子回波称为双色光子回波。双色光子回波信号的频谱将提供一些额外的样品分子的结构以及动力学信息，类似的，还有单色光子回波。

二维光子回波光谱是二维光谱在可见光处的应用，也可以称二维电子光谱，为它可以研究分子体系的电子态的特征信息，例如，分子内的非线性展宽机制，电子耦合效应，能量转移路径，电子相干效应等，并通过图谱直观的反应出来。二维光谱是时域中物质体系在一系列超短激光脉冲作用下所产生的受激振动光子回波响应，再经过二维傅里叶变换后在二维频域中表达的技术。通过二维光学光谱的峰值谱线信息，可以对分子内部或者分子间发生的相互作用过程、分子动力学以及光合作用过程进行分析。相比于一维光谱技术，二维光谱技术把光谱信号扩展到了第二维上，可以提高了光谱分辨率，提供比一维光谱更多的信息，重叠峰甚至是被掩盖的一些小峰也可以清晰的显示出来。

二维电子光谱是研究电子运动的一种重要的方法，与一维电子光谱的相比具有更高的分辨率。二维的频率信息有利于分析分子内的超快动力学信息，并可以同时获得信号光极化强度的实部(吸收)和虚部(色散)也是一种研究光合作用中量子传能的有效工具。而吸收光谱和瞬态光栅不能测量量子布居机制，二维光谱正好可以补偿上述的不足。另外，二维光谱中已经包含了瞬态吸收光谱。可以测量超分子复合物的动力学和结构。目前二维电子光谱的实现方案主要有两大类，分别为：被动的相位稳定技术；主动的相位稳定技术。

现有的主动的相位稳定技术装置很有效但是需要额外的干涉仪，参考光束和电子设备，而且系统庞大，成本较高，应用范围有限。被动的相位稳定技术的实现方法主要有四种，分别为：1.基于衍射原理的方法。衍射光学元件，光栅等；2.脉冲整形器，包括空间光调制器和声光调制器等；3.基于反射原理的方法。反射镜，全反镜等；4.基于折射原理的方法。折射光学元件，双折射干涉仪等。现有的被动的相位稳定技术装置几乎不能对探测信号光强度较低的微弱信号进行探测；即使能够探测，准确度也不高。而且基于脉冲整形的被动相位稳定方法偏振较难控制，基于双折射干涉仪的被动相位稳定方法和基于全反镜的方法会引起时间零点漂移，基于声光相位调制器的方法测量带宽有限。

发明内容

为了解决现有的二维电子光谱中主动相位稳定装置系统庞大、成本较高、应用范围有限的问题和现有的被动的相位稳定装置几乎对信号光强度较低的微弱信号进行探测的准确度不高、偏振较难控制的问题。进而提出了一种测量光子回波光谱的实验装置。

一种测量光子回波光谱的实验装置，包括：

飞秒激光器、光学参量放大器，即OPA、衰减片、第一反射镜、起偏器、第一分束片、第一时间延迟装置、第二时间延迟装置、第三时间延迟装置、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第一透镜、衍射光栅、第二透镜、第一楔形棱镜对、第二楔形棱镜对、第三楔形棱镜对、抛物镜、样品池、空间滤波器、凹面镜、第九反射镜、检偏器、第一合束镜、第十反射镜、第十一反射镜、第二合束镜、第三透镜、光谱仪、CCD阵列探测器、计算机、第二分束片、第三分束片、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜、第四时间延迟装置；

检偏器和第八反射镜同轴设置，使穿过检偏器的光束和穿过第八反射镜的光束在同一水平面上共同照射到第一合束镜上；

衰减片、起偏器和检偏器均竖直设置且与光束成90度角；

第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜、第九反射镜、第十反射镜、第十一反射镜均竖直设置且与光束成45度角；

第一分束片、第二分束片、第三分束片均竖直设置且与光束成45度角；

第一合束镜、第二合束镜均竖直设置且与光束成45度角；

计算机与OPA、第一时间延迟装置、第二时间延迟装置、第三时间延迟装置、第四时间延迟装置和CCD阵列探测器电连接；

计算机控制第一时间延迟装置、第二时间延迟装置、第三时间延迟装置和第四时间延迟装置移动的距离，并将不同时刻的位置信息采集下来；

计算机通过OPA控制光束的频率与功率；

飞秒激光器出射的激光光束A，经过OPA，进行波长选择；光束经过衰减片，然后经过第一反射镜调整光束传播方向；光束A经过起偏器调节光束的偏振方向；然后到达第一分束片分成光束B和光束C；

光束B进入第一时间延迟装置后，再经过第二反射镜后照射到第一透镜上；

光束C经过第二分束片分成光束D和光束E；

光束D进入第二时间延迟装置再经过第三反射镜后照射到第一透镜上；

光束E经过第三分束片分成光束F和光束G；

光束F进入第三时间延迟装置再经过第四反射镜后照射到第一透镜上；

光束G经过第五反射镜、第六反射镜和第七反射镜反射后进入第四时间延迟装置，射出后经过第八反射镜反射后到达第一合束镜；

光束B、光束D和光束F(光束B、光束D作为泵浦光，光束F作为探测光)经过第一透镜后再经过衍射光栅和第二透镜后(第一透镜和第二透镜为一个4f系统，可以对光束B、光束D和光束F进行整形，调节光束振幅和相位；)，分别进入第一楔形棱镜对、第二楔形棱镜对、第三楔形棱镜对后照射在抛物镜打在样品池上(楔形棱镜斜面角度与光入射角度呈布鲁斯特角放置，可以补偿光束在空间传播引起的色散)，经过样品池新产生一束光子回波信号H(由于三束激光束的空间传播方向不同，在满足一定相位匹配的条件下，会产生一束光子回波信号H)，样品池的光束B、光束D和光束F照射到空间滤波器；

调节空间滤波器的位置，使光子回波信号H经过凹面镜和第九反射镜反射后，经过检偏器后到达到第一合束镜上；

光束G和光子回波信号H在第一合束镜、第二合束镜、第十反射镜和第十一反射镜组成的马赫-曾德干涉上仪发生干涉(光束G作为参考光束和光子回波信号H产生干涉)，干涉信号经过第三透镜、光谱仪进入CCD阵列探测器。

本发明具有以下有益效果：

(1)利用本发明的实验装置进行光子回波光谱探测方法简单，相对主动相位稳定来说成本低廉。

(2)本发明的实验装置是通过光谱相干方法进行探测的，相比直接探测，能够更好的探测信号光强度较低的微弱信号。

(3)利用本发明的实验装置进行光子回波光谱探测能够补偿光束在传播过程中引起的色散效应；同时由于本发明的实验装置中加入了偏振片(起偏器和检偏器)，不仅能解决偏振较难控制的问题，还能更好的消除非共振背景噪声的影响，提高光子回波光谱探测的准确度。

(4)利用本发明的实验装置采用非共线相位匹配结构，能够较好消除杂散光和入射光对信号光的影响。

附图说明

图1为一种测量光子回波光谱的实验装置结构示意图的俯视图；

图2为经过相位稳定装置前的光束传输振幅示意图(入射光束为高斯光束)；

图3为经过相位稳定装置中的光束传输相位面示意图(入射光束为高斯光束)；

图4为经过相位稳定装置后的光束传输相位面示意图(入射光束为高斯光束)；

图5为尼尔蓝分子三脉冲光子回波光谱变化规律(脉冲波长为623nm)；

图6为尼尔蓝分子瞬态光栅光子回波信号的非线性拟合(脉冲波长为623nm)。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，

一种测量光子回波光谱的实验装置，包括：

飞秒激光器1、光学参量放大器2，即OPA2、衰减片3、第一反射镜4、起偏器5、第一分束片6、第一时间延迟装置7、第二时间延迟装置8、第三时间延迟装置9、第二反射镜10、第三反射镜11、第四反射镜12、第一透镜13、衍射光栅14、第二透镜15、第一楔形棱镜对16、第二楔形棱镜对17、第三楔形棱镜对18、抛物镜19、样品池20、空间滤波器21、凹面镜22、第九反射镜23、检偏器24、第一合束镜25、第十反射镜26、第十一反射镜27、第二合束镜28、第三透镜29、光谱仪30、CCD阵列探测器31、计算机32、第二分束片35、第三分束片36、第五反射镜37、第六反射镜38、第七反射镜39、第八反射镜40、第四时间延迟装置41；

检偏器24和第八反射镜40同轴设置，使穿过检偏器24的光束和穿过第八反射镜40的光束在同一水平面上共同照射到第一合束镜25上；

衰减片3、起偏器5和检偏器24均竖直设置且与光束成90度角；

第一反射镜4、第二反射镜10、第三反射镜11、第四反射镜12、第五反射镜37、第六反射镜38、第七反射镜39、第八反射镜40、第九反射镜23、第十反射镜26、第十一反射镜27均竖直设置且与光束成45度角；

第一分束片6、第二分束片35、第三分束片36均竖直设置且与光束成45度角；

第一合束镜25、第二合束镜28均竖直设置且与光束成45度角；

计算机32与OPA2、第一时间延迟装置7、第二时间延迟装置8、第三时间延迟装置9、第四时间延迟装置41和CCD阵列探测器31电连接；

计算机32控制第一时间延迟装置7、第二时间延迟装置8、第三时间延迟装置9和第四时间延迟装置41移动的距离，并将不同时刻的位置信息采集下来；

计算机32通过OPA2控制光束的频率与功率；

飞秒激光器1出射的激光光束A，经过OPA2，进行波长选择；光束经过衰减片3，然后经过第一反射镜4调整光束传播方向；光束A经过起偏器5调节光束的偏振方向；然后到达第一分束片6分成光束B和光束C；

光束B进入第一时间延迟装置7后，再经过第二反射镜10后照射到第一透镜13上；

光束C经过第二分束片35分成光束D和光束E；

光束D进入第二时间延迟装置8再经过第三反射镜11后照射到第一透镜13上；

光束E经过第三分束片36分成光束F和光束G；

光束F进入第三时间延迟装置9再经过第四反射镜12后照射到第一透镜13上；

光束G经过第五反射镜37、第六反射镜38和第七反射镜39反射后进入第四时间延迟装置41，射出后经过第八反射镜40反射后到达第一合束镜25；

光束B、光束D和光束F(光束B、光束D作为泵浦光，光束F作为探测光)经过第一透镜13后再经过衍射光栅14和第二透镜15后(第一透镜13和第二透镜15为一个4f系统，可以对光束B、光束D和光束F进行整形，调节光束振幅和相位；)，分别进入第一楔形棱镜对16、第二楔形棱镜对17、第三楔形棱镜对18后照射在抛物镜19打在样品池20上(楔形棱镜对斜面角度与光入射角度呈布鲁斯特角放置，可以补偿光束在空间传播引起的色散)，经过样品池20新产生一束光子回波信号H(由于三束激光束的空间传播方向不同，在满足一定相位匹配的条件下，会产生一束光子回波信号H)，样品池20的光束B、光束D和光束F照射到空间滤波器21；

调节空间滤波器21的位置，使光子回波信号H经过凹面镜22和第九反射镜23反射后，经过检偏器24后到达到第一合束镜25上；

光束G和光子回波信号H在第一合束镜25、第二合束镜28、第十反射镜26和第十一反射镜27组成的马赫-曾德干涉上仪发生干涉(光束G作为参考光束和光子回波信号H产生干涉)，干涉信号经过第三透镜29、光谱仪30进入CCD阵列探测器31。

利用装置进行探测时，第一透镜，第二透镜以及衍射光栅14构成的相位稳定装置；经过相位稳定装置前、中、后的光束传输相位面，如图2、图3和图4所示(入射光束为高斯光束)。调节飞秒激光器输出脉冲波长为623nm的光束，经过实验装置产生尼尔蓝分子三脉冲光子回波光谱，尼尔蓝分子三脉冲光子回波光谱变化规律如图5所示，为了验证测得的信号确实是尼尔蓝的三脉冲光子回波信号而不是比色皿的光子回波信号，使用空的0.4mm比色皿代替原来盛装尼尔蓝乙醇溶液的比色皿再次进行实验测量，发现并没有信号光出现，这说明实验中所测得的信号确实为尼尔蓝的光子回波信号。从图5中可以看出，尼尔蓝乙醇溶液的三脉冲光子回波信号峰值处光学延时t₁₂和t₂₃都不为零，这和理论模拟结果吻合，说明实验装置能够精确的测量光子回波信号。；对尼尔蓝分子瞬态光栅光子回波信号进行非线性拟合，尼尔蓝分子瞬态光栅光子回波信号的非线性拟合效果如图6所示。可以看出，尼尔蓝分子的瞬态光栅光子回波信号随t₂₃的增大而衰减包括超快和超慢两个部分，因此尼尔蓝分子的电子态振动模式有高斯型以及过阻尼型。这说明，尼尔蓝分子的电子振动态之间的耦合、碰撞比较强烈，而尼尔蓝乙醇溶液中的溶剂化效应比较弱，并且理论曲线和实验曲线吻合的很好。

具体实施方式二：

本实施方式所述的飞秒激光器1为掺钛蓝宝石飞秒激光器。

其他装置和参数和具体实施方式一相同。

具体实施方式三：

本实施方式所述的掺钛蓝宝石飞秒激光器输出脉宽约40fs，中心波长800nm。

其他装置和参数和具体实施方式二相同。

具体实施方式四：

本实施方式所述的光学参量放大器2，即OPA2，选择TOPAS-800-fs-VIS中的SHS配置。

其他装置和参数和具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：

本实施方式所述的光谱仪30采用Ocean生产的HR4000CG-CN-NIR型号光谱仪，能探测200-1100nm波长范围的信号。

其他装置和参数和具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：

本实施方式所述的CCD阵列探测器31采用的是Toshiba生产的TCD1304AP linearCCD array(TCD1304AP线性CCD阵列)。

其他装置和参数和具体实施方式一至五之一相同。

Claims (6)

1.一种测量光子回波光谱的实验装置，其特征在于所述装置包括：

飞秒激光器(1)、光学参量放大器，即OPA(2)、衰减片(3)、第一反射镜(4)、起偏器(5)、第一分束片(6)、第一时间延迟装置(7)、第二时间延迟装置(8)、第三时间延迟装置(9)、第二反射镜(10)、第三反射镜(11)、第四反射镜(12)、第一透镜(13)、衍射光栅(14)、第二透镜(15)、第一楔形棱镜对(16)、第二楔形棱镜对(17)、第三楔形棱镜对(18)、抛物镜(19)、样品池(20)、空间滤波器(21)、凹面镜(22)、第九反射镜(23)、检偏器(24)、第一合束镜(25)、第十反射镜(26)、第十一反射镜(27)、第二合束镜(28)、第三透镜(29)、光谱仪(30)、CCD阵列探测器(31)、计算机(32)、第二分束片(35)、第三分束片(36)、第五反射镜(37)、第六反射镜(38)、第七反射镜(39)、第八反射镜(40)、第四时间延迟装置(41)；

检偏器(24)和第八反射镜(40)同轴设置，使穿过检偏器(24)的光束和穿过第八反射镜(40)的光束在同一水平面上共同照射到第一合束镜(25)上；

衰减片(3)、起偏器(5)和检偏器(24)均竖直设置且与光束成90度角；

第一反射镜(4)、第二反射镜(10)、第三反射镜(11)、第四反射镜(12)、第五反射镜(37)、第六反射镜(38)、第七反射镜(39)、第八反射镜(40)、第九反射镜(23)、第十反射镜(26)、第十一反射镜(27)均竖直设置且与光束成45度角；

第一分束片(6)、第二分束片(35)、第三分束片(36)均竖直设置且与光束成45度角；

第一合束镜(25)、第二合束镜(28)均竖直设置且与光束成45度角；

计算机(32)与OPA(2)、第一时间延迟装置(7)、第二时间延迟装置(8)、第三时间延迟装置(9)、第四时间延迟装置(41)和CCD阵列探测器(31)电连接；

计算机(32)控制第一时间延迟装置(7)、第二时间延迟装置(8)、第三时间延迟装置(9)和第四时间延迟装置(41)移动的距离，并将不同时刻的位置信息采集下来；

计算机(32)通过OPA(2)控制光束的频率与功率；

飞秒激光器(1)出射的激光光束A，经过OPA(2)，进行波长选择；光束经过衰减片(3)，然后经过第一反射镜(4)调整光束传播方向；光束A经过起偏器(5)调节光束的偏振方向；然后到达第一分束片(6)分成光束B和光束C；

光束B进入第一时间延迟装置(7)后，再经过第二反射镜(10)后照射到第一透镜(13)上；

光束C经过第二分束片(35)分成光束D和光束E；

光束D进入第二时间延迟装置(8)再经过第三反射镜(11)后照射到第一透镜(13)上；

光束E经过第三分束片(36)分成光束F和光束G；

光束F进入第三时间延迟装置(9)再经过第四反射镜(12)后照射到第一透镜(13)上；

光束G经过第五反射镜(37)、第六反射镜(38)和第七反射镜(39)反射后进入第四时间延迟装置(41)，射出后经过第八反射镜(40)反射后到达第一合束镜(25)；

光束B、光束D和光束F经过第一透镜(13)后再经过衍射光栅(14)和第二透镜(15)后，分别进入第一楔形棱镜对(16)、第二楔形棱镜对(17)、第三楔形棱镜对(18)后照射在抛物镜(19)打在样品池(20)上，经过样品池(20)新产生一束光子回波信号H，样品池(20)的光束B、光束D和光束F照射到空间滤波器(21)；

调节空间滤波器(21)的位置，使光子回波信号H经过凹面镜(22)和第九反射镜(23)反射后，经过检偏器(24)后到达到第一合束镜(25)上；

光束G和光子回波信号H在第一合束镜(25)、第二合束镜(28)、第十反射镜(26)和第十一反射镜(27)组成的马赫-曾德干涉上仪发生干涉，干涉信号经过第三透镜(29)、光谱仪(30)进入CCD阵列探测器(31)。

2.根据权利要求1所述的一种测量光子回波光谱的实验装置，其特征在于：飞秒激光器(1)为掺钛蓝宝石飞秒激光器。

3.根据权利要求2所述的一种测量光子回波光谱的实验装置，其特征在于：掺钛蓝宝石飞秒激光器输出脉宽为40fs，中心波长800nm。

4.根据权利要求1或2所述的一种测量光子回波光谱的实验装置，其特征在于，所述的光学参量放大器，即OPA(2)选择TOPAS-800-fs-VIS中的SHS配置。

5.根据权利要求1或2所述的一种测量光子回波光谱的实验装置，其特征在于，所述的光谱仪(30)采用Ocean生产的HR4000CG-CN-NIR型号光谱仪。

6.根据权利要求1或2所述的一种测量光子回波光谱的实验装置，其特征在于，所述的CCD阵列探测器(31)采用的是Toshiba生产的TCD1304AP linear CCD array。