CN105890633B - 一种用于测量高压条件下待测样本的布里渊散射的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于测量高压条件下待测样本的布里渊散射的装置，第一半反半透镜将激光器的发射光a分为传播方向相互垂直的第一透射光b和第一反射光c；第一透射光b经第二半反半透镜分为传播方向相互垂直的第二透射光d和第二反射光e；第二透射光d经第一反射镜反射进入高压腔内；第二反射光e经第三半反半透镜反射形成第三反射光k并进入高压腔内；第二透射光d和第三反射光k在高压腔内泵浦待测样品产生布里渊散射光f，布里渊散射光f经第二反射镜后射入第四半反半透镜；第一反射光c垂直射入电光调制器内形成调制光g，调制光g经第三反射镜后射入第四半反半透镜内与布里渊散射光f在第四半反半透镜内发生干涉形成干涉光h，干涉光h射入平衡光电探测器内并在频谱仪上显示。
Description
技术领域
本发明属于布里渊散射测量装置技术领域，具体涉及一种用于测量高压条件下待测样品的布里渊散射的装置。
背景技术
高压物理学作为研究物质在高压作用下物理行为的一门学科，其研究对象主要以凝聚态物质为主，其研究领域几乎包含凝聚态物理学的全部分支。高压对物质的基本作用在于它缩短了原子间距离，提高了相邻电子轨道间的重合程度。原子间距离的变化导致晶格的重新排列，引发结构相变，相邻电子轨道重合程度的提高引发电子相变。因此高压科学研究可以得到在高压条件下的物质变化信息。
高压下各种物理量的检测都需特殊精巧的专门实验技术和方法。20世纪70年代，激光技术、同步辐射等技术和高压技术的结合，将高压物理研究发展到一个新层次。美国国家标准局首先开展了高压红外光谱测量。接着，人们研究了高压腔中物质的拉曼光谱，创立了以受激拉曼光谱为基础的新的高压光谱技术。和物质的拉曼光谱测量类似，物质的布里渊散射与高压技术也能够很好地结合在一起。利用布里渊散射光谱，可进行微区(几十微米)测量，且不需要将样品与探测仪器相接触，所以可以利用布里渊散射对样品在高压环境下的性质进行研究。通过对布里渊散射频移的测定，可以精确计算出高压下物质的声速、弹性系数等基本物理量。
和拉曼散射散射相比，布里渊散射和激光器本身的泵浦入射光之间的频移较小，难以利用常规的技术手段将其从所有的散射及反射光中区分出来。目前进行高压条件下布里渊散射的测量方法主要由以下几种：
在先方案之一是采用斐索干涉仪【参见：A.S.Meijer,A.S.de Wijn,M.F.E.Peters,N.J.Dam,W.van de Water,coherent Rayleigh-Brillouin scatteringmeasurements of bulk viscosity of polar and nonpolar gases,and kinetictheory,the Journal of Chemical Physics,133,2010,1643151-9.】。该技术采用斐索干涉仪，检测高压腔中散射的瑞利散射光和的布里渊散射光，实验中需要采用额外的宽线宽的激光器产生瑞利散射，增加了系统成本，且瑞利散射的光强较弱，斐索干涉仪分辨率不高。
在先方案之二是采用法布里-珀罗干涉仪(FPI)【参见：Min-Seok Jeong,Jae-Hyeon Ko,Young Ho Ko,Kwang Joo Kim,High-pressure acoustic properties ofglycerol studied by Brillouin spectroscopy,Physica B,2015,478:27-30.】【参见：Lindsay S.M.,Anderson M.W.,Sandercock J.R.,Construction and alignment of ahigh performance multipass vernier tandem Fabry-Perot interferomrter[J].Review of Scientific Instruments,1981,52(10):1478-1486.】。该方案中FPI的测量精度较在先方案一中斐索干涉仪的精度高，已成为当前高压物理领域布里渊散射光测量的主流方案。但是该FPI的成本较高，目前售价约为15万美元，价值昂贵。
发明内容
针对上述现有技术中描述的不足，本发明的目的是提供一种检测效果好，成本低，光路结构简单的一种用于测量高压条件下待测样品的布里渊散射的装置。
为实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种用于测量高压条件下待测样本的布里渊散射的装置，包括第一半反半透镜，第一半反半透镜将激光器的发射光a分为传播方向相互垂直的第一透射光b和第一反射光c；第一透射光b经第二半反半透镜分为传播方向相互垂直的第二透射光d和第二反射光e；第二透射光d与第一透射光b平行，第二反射光e与第一反射光c平行；第一半反半透镜和第二半反半透镜平行；第二透射光d的前进方向与第一反射镜的反射面法线方向成30°，第二透射光d经第一反射镜反射改变前进方向，并从高压腔的第二窗口进入高压腔内；第二反射光e经第三半反半透镜反射形成第三反射光k，第三反射光k水平从高压腔的第一窗口进入高压腔内；第二透射光d和第三反射光k在高压腔内泵浦待测样品产生布里渊散射光f，布里渊散射光f从第一窗口水平输出，且布里渊散射光f的前进方向与发射光a平行且相反；布里渊散射光f经第二反射镜改变前进方向，改变前进方向后的布里渊散射光f竖直射入第四半反半透镜，且射入方向与第四半反半透镜的分光面成45°；第四半反半透镜与第一半反半透镜平行；第一反射光c垂直射入电光调制器内进行调制形成调制光g，电驱动模块驱动电光调制器在零阶主峰附近产生频率为νLO的一阶边带，调制光g从电光调制器射出；调制光g经第三反射镜反射后水平射入第四半反半透镜内，调制光g与布里渊散射光f在第四半反半透镜内发生干涉形成干涉光h，干涉光h从第四半反半透镜内射出并水平射入平衡光电探测器内，平衡光电探测器将接收到的干涉光h在频谱仪上显示。
所述第一半反半透镜的分光面与发射光a成45°。
改变前进方向的第二透射光d与第二窗口的水平面成60°。
所述调制光g从电光调制器的射出方向与第一反射光c的前进方向平行。
所述干涉光h的前进方向与发射光a的前进方向平行。
本发明的特点和优点是：
1、本发明充分利用光学相干检测技术，引入电光调制器的一阶边带作为本地光，实现待测样品中布里渊散射光的提取，同时对微弱布里渊散射进行光学放大，为高压腔中样品的布里渊散射信号分析提供了一种检测装置及检测方法。
2、本发明仅利用一台电光调制器，实现了布里渊散射光的提取，光路结构简单，节约了成本，有利于实用化。
附图说明
图1为本发明电光调制器的一节边带示意图。
图2为本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图2所示，一种用于测量高压条件下待测样本的布里渊散射的装置，包括第一半反半透镜2，第一半反半透镜2将激光器1的发射光a分为传播方向相互垂直的第一透射光b和第一反射光c。
第一透射光b经第二半反半透镜3分为传播方向相互垂直的第二透射光d和第二反射光e。第二透射光d与第一透射光b平行，第二反射光e与第一反射光c平行。第一半反半透镜2和第二半反半透镜3平行且第一半反半透镜2的分光面与发射光a成45°。
第二透射光d的前进方向与第一反射镜7的反射面法线方向成30°，第二透射光d经第一反射镜7反射改变前进方向，并从高压腔6的第二窗口62进入高压腔6内；改变前进方向的第二透射光d与第二窗口62的水平面成60°。
第二反射光e经第三半反半透镜5反射形成第三反射光k，第三反射光k水平从高压腔6的第一窗口61进入高压腔6内。
第二透射光d和第三反射光k在高压腔6内泵浦待测样品产生布里渊散射光f，布里渊散射光f从第一窗口61水平输出，且布里渊散射光f的前进方向与发射光a平行且相反。
布里渊散射光f经第二反射镜8改变前进方向，改变前进方向后的布里渊散射光f竖直射入第四半反半透镜11，且射入方向与第四半反半透镜11的分光面成45°。第四半反半透镜11与第一半反半透镜2平行。
第一反射光c垂直射入电光调制器4内进行调制形成调制光g，电驱动模块9驱动电光调制器4在零阶主峰附近产生频率为νLO的一阶边带，如图1所示，调制光g从电光调制器4射出，且射出方向与第一反射光c的前进方向平行。调制光g经第三反射镜10反射后水平射入第四半反半透镜11内，调制光g与布里渊散射光f在第四半反半透镜11内发生干涉形成干涉光h，干涉光h从第四半反半透镜11内射出并水平射入平衡光电探测器12内，平衡光电探测器12将接收到的干涉光h在频谱仪13上显示，所述干涉光h的前进方向与发射光a的前进方向平行。
本发明的核心思想是利用光学相干检测技术。激光器的发射光a的一部分光输入到电光调制器4，该电光调制器4受到频率已知的电驱动模块9的驱动，使电光调制器4产生一阶边带，并将一阶边带作为相干检测时的本地光。激光器的发射光a的另一部分通过高压腔6的第一窗口和第二窗口入射到待测样品上，泵浦待测样品，产生和样品物质特性相关的布里渊散射光f。为了得到和物质相关的声速和相关折射率，一般采用专门制作的对顶砧高压腔，使得布里渊散射光f和入射光a的另一部分之间分别构成180°几何配置和60°几何配置。具体原理如下所述：
对于180°几何配置：
对于60°几何配置：
对于固定波长的激光光源，λ已知。如果测量得到60°几何配置时的布里渊频移νB1，那么根据上式(2)可以计算得到该压力条件下待测样品的声速Va。接着，如果测量得到180°几何配置时的布里渊频移νB2，那么根据公式(1)，结合已求得的声速Va，可计算出待测物质的折射率n。在此基础上，可进一步研究物质的弹性系数等。
为了提取布里渊散射信号，以及测量该散射信号在两种几何配置条件下的频移，将本地光和布里渊散射光f进行光学相干拍频。使用带宽有限的平衡光电探测器12将干涉信号中的低频信号转换为电信号，即拍信号中的差频信号，同时滤除拍信号中的和频信号。之后，利用频谱仪13测量获得干涉信号的频谱及其中心频率。
布里渊散射频移即为一阶边带频率和干涉信号中心频率之和。本发明可有效的提取出待测样品中的微弱的布里渊散射信号，同时能够测量样品的布里渊频移，可为高压条件下样品的物性研究提供方法。
下面以绿光为例对本发明进一步说明，如图2所示，激光器1发出波长为532nm的连续绿光作为发射光a，它的输出功率约为200mw。第一半反半透镜2将发射光a分为传播方向相互垂直的第一透射光b和第一反射光c。第一透射光b用于泵浦高压腔(带有光学窗口的对顶砧)6中的待测样品，第一反射光c用于泵浦电光调制器4。为了获得待测物质在不同压力条件下的声速和折射率，需要对进入对顶砧的高压腔6中的光线传输方向进行调整。一般采用180°和60°两种几何配置，即布里渊散射光和入射光之间的夹角分别为180°和60°。利用第二半反半透镜3，将用于泵浦布里渊散射的第一透射光b分为传播方向相互垂直的第二透射光d和第二反射光e。第二反射光e经第三半反半透镜5反射形成第三反射光k，第三反射光k从高压腔6的第一窗口61水平进入高压腔6内，泵浦高压腔6中的待测样品产生布里渊散射光f，布里渊散射光f从第一窗口61水平射出，布里渊散射光f射出方向与第三反射光k的传播方向呈180°，构成180°几何配置。
第二透射光d和第一反射镜7的法线方向夹角为30°，第二透射光d经第一反射镜7调整光线传播方向，并从高压腔6的第二窗口62进入高压腔6内；第二透射光d泵浦高压腔6中的待测样品产生布里渊散射光f，布里渊散射光f从第一窗口61水平射出，改变前进方向的第二透射光d与布里渊散射光f成60°，构成60°几何配置。
布里渊散射光f与激光器的发射光a之间的频移为νB。布里渊散射光f经第二反射镜8改变前进方向，改变前进方向后的布里渊散射光f竖直射入第四半反半透镜11，且射入方向与第四半反半透镜11的分光面成45°。第四半反半透镜11与第一半反半透镜2平行。
电驱动模块9驱动电光调制器4，电驱动模块9的射频信号的频率已知。对于电光调制器4的输出而言，
第一反射光c垂直射入电光调制器4内进行调制形成调制光g，电驱动模块9驱动电光调制器4在零阶主峰附近产生频率为νLO的正负一阶边带，如图1所示，该一阶边带和主峰之间的频率之差可由电驱动模块9控制，一阶边带作为光学相干检测时的本地光。
调制光g从电光调制器4射出，且射出方向与第一反射光c的前进方向平行。调制光g经第三反射镜10反射后水平射入第四半反半透镜11内，调制光g与布里渊散射光f在第四半反半透镜11内发生干涉形成干涉光h，平衡光电探测器12将接收到的干涉光f转换为电信号，同时可滤除从高压腔6中输出的端面反射、拉曼散射等杂散光以及相干检测时的高频信号VLO+VB。利用频谱仪13，可获得该相干信号的中心频率V0，该频率为一阶边带频率和布里渊散射光频率之差，即V0＝VLO-VB。而VLO已知，因此可获得高压腔中布里渊散射光的频率VB。当改变高温高压腔中的压力时，频谱仪所示频率发生改变，可知该压力下的布里渊散射频移。当布里渊散射信号的频移导致干涉信号的中心频率超出频谱仪的带宽范围时，可改变电驱动模块9的频率，得到V′LO，重复上述过程，可获知不同压力条件下待测样品的布里渊散射频率。
Claims (3)
1.一种用于测量高压条件下待测样本的布里渊散射的装置，其特征在于：包括第一半反半透镜（2），第一半反半透镜（2）将激光器（1）的发射光a分为传播方向相互垂直的第一透射光b和第一反射光c；第一透射光b经第二半反半透镜（3）分为传播方向相互垂直的第二透射光d和第二反射光e；第二透射光d与第一透射光b平行，第二反射光e与第一反射光c平行；第一半反半透镜（2）和第二半反半透镜（3）平行；第二透射光d的前进方向与第一反射镜（7）的反射面法线方向成30°，第二透射光d经第一反射镜（7）反射改变前进方向，并从高压腔（6）的第二窗口（62）进入高压腔（6）内；第二反射光e经第三半反半透镜（5）反射形成第三反射光k，第三反射光k水平从高压腔（6）的第一窗口（61）进入高压腔（6）内；第二透射光d和第三反射光k在高压腔（6）内泵浦待测样品产生布里渊散射光f，布里渊散射光f从第一窗口（61）水平输出，且布里渊散射光f的前进方向与发射光a平行且相反；布里渊散射光f经第二反射镜（8）改变前进方向，改变前进方向后的布里渊散射光f竖直射入第四半反半透镜（11），且射入方向与第四半反半透镜（11）的分光面成45°；第四半反半透镜（11）与第一半反半透镜（2）平行；第一反射光c垂直射入电光调制器（4）内进行调制形成调制光g，电驱动模块（9）驱动电光调制器（4）在零阶主峰附近产生频率为ν LO 的一阶边带，调制光g从电光调制器（4）射出；调制光g经第三反射镜（10）反射后水平射入第四半反半透镜（11）内，调制光g与布里渊散射光f在第四半反半透镜（11）内发生干涉形成干涉光h，干涉光h从第四半反半透镜（11）内射出并水平射入平衡光电探测器（12）内，平衡光电探测器（12）将接收到的干涉光h在频谱仪（13）上显示；所述第一半反半透镜（2）的分光面与发射光a成45°；改变前进方向的第二透射光d与第二窗口（62）的水平面成60°。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量高压条件下待测样本的布里渊散射的装置，其特征在于：所述调制光g从电光调制器（4）的射出方向与第一反射光c的前进方向平行。
3.根据权利要求1所述的一种用于测量高压条件下待测样本的布里渊散射的装置，其特征在于：所述干涉光h的前进方向与发射光a的前进方向平行。
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