CN105699297B - 一种单发次材料光克尔系数测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种单发次材料光克尔系数测量装置。所述装置中的飞秒激光器出射的飞秒脉冲通过分光片后将光脉冲分为透射光和反射光，反射光经过光学延时线、半波片、第一离轴抛物面反射镜、反射镜，聚焦到非线性样品中；透射光经过第一凸透镜、超连续谱展宽片，进行超连续谱展宽，超连续谱脉冲经过第二离轴抛物面反射镜、脉冲展宽器、反射镜、第三离轴抛物面反射镜，聚焦进入非线性样品，作为探测脉冲；泵浦脉冲与探测脉冲在非线性样品内部重合，泵浦光激发非线性样品，通过第二凸透镜聚焦进入光谱仪。

Description

一种单发次材料光克尔系数测量装置
技术领域
本发明涉及超快测量技术领域，具体涉及一种单发次材料光克尔系数测量装置。
背景技术
基于时间分辨飞秒光克尔门的测量技术，可以实现对样品光克尔系数高信噪比、高分辨率的时间门选通超快测量。其中起偏器、非线性样品、检偏器组成光克尔门。起偏器与检偏器偏振垂直，泵浦光偏振与起偏器夹角45°，泵浦光为线偏振光。在没有泵浦光泵浦非线性样品作为开门信号时，探测光不能透过光克尔门。在有泵浦光泵浦非线性样品时，样品产生双折射，用另一束较弱的探测光探测时，由于介质中感生双折射，将对探测光在介质中的传播产生影响，产生偏振的改变，从而得到非线性介质对外加光电场的非线性响应。时间分辨飞秒光克尔门技术实验测量的是光学诱导的三阶各向异性极化率随时间的变化情况，具有将不同时间量级弛豫的物理过程分开的能力，因此用来研究分子动力学具有很大的优势。
但该方法是基于多发次泵浦探测技术，对于非稳定性样品，多发次泵浦探测会改变样品性质，造成测量的参数不准确，因此对于非稳定性样品不适于采用多发次泵浦探测技术。另外，高能激光单发次泵浦非线性样品时，样品从被激发到损坏持续的时间仅为几个皮秒到几十皮秒量级。由于是单发次泵浦样品，多发次泵浦探测方法不实用。传统利用光电探测器—示波器记录样品参数的方法，由于时间分辨率不够，难以记录几个皮秒时间内的信息。因此对于高能激光单发次泵浦样品时，基于多发次泵浦探测的飞秒光克尔门技术不能采用，必须使用单发次实时测量。条纹相机可以实现单发次测量，但由于条纹相机的时间分辨率仅为几十到几个皮秒，不能高时间分辨率的测量几个皮秒内的信息，并且条纹相机存在信噪比不高的问题。因此不能实现对非线性样品参数高时间分辨率的测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种单发次材料光克尔系数测量装置，可以单发次测量材料的光克尔系数，解决了不稳定样品在多发次测量中的材料损坏问题；以及高能激光泵浦样品，样品材料从激发到损坏持续时间太短，光克尔系数无法测量的问题。
本发明的单发次材料光克尔系数测量装置，所述装置中的飞秒激光器出射的飞秒脉冲通过分光片后将光脉冲分为透射光和反射光，反射光经过光学延时线、半波片、第一离轴抛物面反射镜、反射镜，聚焦到非线性样品中；透射光经过第一凸透镜、超连续谱展宽片，进行超连续谱展宽，超连续谱脉冲经过第二离轴抛物面反射镜、脉冲展宽器、反射镜、第三离轴抛物面反射镜，聚焦进入非线性样品，作为探测脉冲；泵浦脉冲与探测脉冲在非线性样品内部重合，泵浦光激发非线性样品，瞬时选通探测脉冲中携带非线性样品参数的频谱成分，该频谱成分由第二凸透镜聚焦进入光谱仪。
所述的泵浦光的偏振与起偏器的偏振夹角45º，起偏器与检偏器偏振夹角90º。
所述的超连续谱展宽片为氟化钙、蓝宝石、钒酸钇、石英玻璃、氟化锂、水、光子晶体光纤中的一种。
所述的脉冲展宽器为光栅展宽器、棱镜展宽器、啁啾镜、玻璃棒、亚克力塑料棒中的一种。
所述光学延时线用于调节泵浦光与探测光的时间重合位置，在装置调试时使用，保证探测光的测量窗口覆盖样品的光克尔响应区间。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明提供了一种单发次材料光克尔系数测量装置，利用了啁啾脉冲泵浦探测技术和光克尔门技术。其中被测非线性样品放置在起偏器与检偏器之间，起偏器、非线性样品、检偏器组成光克尔门。将光克尔系数的时间分辨转化为光谱仪的谱分辨，实现了材料光克尔系数的单发次测量，同时具备时间分辨率高的优点。
附图说明
图1为本发明的单发次材料光克尔系数测量装置结构示意图；
图2为本发明的实施例中光谱仪采集到的二硫化碳光克尔数据；
图3为本发明的实施例中利用传统光克尔门技术采集到的二硫化碳光克尔数据；
图中，1.飞秒激光器；2.分光片；3.光学延时线；4.半波片；5.第一离轴抛物面反射镜；6.反射镜；7.第一凸透镜；8.超连续谱展宽片；9.第二离轴抛物面反射镜；10.脉冲展宽器；11.反射镜；12.第三离轴抛物面反射镜；13.起偏器；14.非线性样品；15.检偏器；16.第二凸透镜；17.光谱仪。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
以下描述中使用了很多具体的参数以便于充分理解本发明，但这些参数只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。有关技术领域的人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化、替换和变型，因此同等的技术方案也属于本发明的范畴。
如图1所示，本发明的一种单发次材料光克尔系数测量装置，飞秒激光器1出射的飞秒脉冲能量4μJ，通过分光片2后变为透射光和反射光，飞秒脉冲波长1030nm，脉冲宽度200fs。反射光依次经过光学延时线3、半波片4、第一离轴抛物面反射镜5，由第一离轴抛物面反射镜5聚焦到非线性样品14中，作为光克尔门中非线性样品的泵浦脉冲。透射光依次经过第一凸透镜7、超连续谱展宽片8，进行超连续谱展宽，频谱展宽到450nm-1200nm。超连续谱脉冲由第二离轴抛物面反射镜9准直，经过脉冲展宽器10进行脉冲时间宽度展宽，产生啁啾光，形成一定时间宽度的测量窗口。实例1采用成都光明公司的ZF11玻璃进行展宽，其中波长500nm-780nm范围的脉冲宽度为26ps。探测光经过反射镜11、第三离轴抛物面反射镜12，由第三离轴抛物面反射镜12聚焦进入非线性样品14，作为探测脉冲。实例1非线性样品选用二硫化碳。其中起偏器13、非线性样品14、检偏器15组成光克尔门。泵浦脉冲与探测脉冲在非线性样品内部重合，泵浦脉冲与探测脉冲夹角5º，探测光的光斑小于泵浦脉冲光斑。泵浦光激发二硫化碳，瞬时选通探测脉冲中携带非线性样品信息的频谱成分。探测脉冲中透过光克尔门的频谱成分由第二凸透镜16聚焦进入光谱仪17，光谱仪17采集到频谱信息，单发次测量获得非线性样品高时间分辨率的光克尔系数。
实验前，调节起偏器13与检偏器15偏振平行，采集到超连续谱，此超连续谱作为参考信号，为后续数据处理提供参考。
调节起偏器13与检偏器15偏振垂直，采集单发次实验信号，如图2所示，横轴为波长，对应时间信号。作为比较，采用传统光克尔门多发次泵浦探测测量二硫化碳的光克尔参数，如图3所示。
从图2与图3可以看出，本方法得到的单发次材料光克尔系数测量结果和传统光克尔门多发次泵浦探测技术得到的结果一致，证实了单发次材料光克尔系数测量装置的可靠性。

Claims (3)

1.一种单发次材料光克尔系数测量装置，其特征在于：所述装置中的飞秒激光器（1）出射的飞秒脉冲通过分光片（2）后将光脉冲分为透射光和反射光，反射光经过光学延时线（3）、半波片（4）、第一离轴抛物面反射镜（5）、反射镜（6），聚焦到非线性样品（14）中；非线性样品（14）放置在起偏器（13）与检偏器（15）之间，透射光经过第一凸透镜（7）、超连续谱展宽片（8），进行超连续谱展宽，超连续谱脉冲经过第二离轴抛物面反射镜（9）、脉冲展宽器（10）、反射镜（11）、第三离轴抛物面反射镜（12）、再经过透射光路上设置于第三离轴抛物面反射镜（12）后的起偏器（13），聚焦进入非线性样品（14），作为探测脉冲；泵浦脉冲与探测脉冲在非线性样品内部重合，泵浦光激发非线性样品（14），瞬时选通探测脉冲中携带非线性样品（14）参数的频谱成分，该频谱成分经过检偏器（15）由第二凸透镜（16）聚焦进入光谱仪（17）。
2.根据权利要求1所述的一种单发次材料光克尔系数测量装置，其特征在于：超连续谱展宽片（8）为氟化钙、蓝宝石、钒酸钇、石英玻璃、氟化锂、光子晶体光纤材料中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种单发次材料光克尔系数测量装置，其特征在于：脉冲展宽器（10）为光栅展宽器、棱镜展宽器、啁啾镜、玻璃棒、亚克力塑料棒中的一种。
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