CN106769971B - 一种基于飞秒泵浦探测的红外光谱系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于飞秒泵浦探测的红外光谱系统，飞秒激光器将输出的飞秒激光脉冲发射到光学参量放大器；光学参量放大器将飞秒激光脉冲转换为中红外激光脉冲并经分束镜分成泵浦光和探测光；法布里珀罗干涉器用于将飞秒泵浦光窄化为皮秒光，并将其发射到对角反射镜；皮秒光与探测光聚焦到待测样品，经待测样品出射的光信号经光谱仪发射到红外阵列检测器，数据采集卡采集红外阵列检测器光谱信号，并将其发送到计算机得到待测样品的光谱信息。本发明还设置有可见光激发模式，本发明通过一套系统既能实现对分子动态结构的检测，又能实现对分子光化学过程的追踪，为分子动力学研究提供便捷又全面的多功能检测手段。
Description
技术领域
本发明是关于一种智能化的基于飞秒泵浦探测的红外光谱系统，涉及光谱学技术领域。
背景技术
飞秒二维红外光谱技术是一种新兴的分子动态结构检测手段，具有以飞秒时间分辨率测定凝聚相分子动态结构的能力。目前采用的三光束超快红外激光脉冲的二维红外光谱方法，其核心光路和整套装置搭建起来比较困难，光路中主要部件的协调控制也比较复杂。若能应用简便的原理及部件搭建飞秒二维红外光谱系统，既可避免结构的庞大又大大节省了成本。
另外，可见光激发下分子的结构及配体会经历一系列的变化，例如光异构化、光解等过程，因此超快的可见光激发-红外探测光谱方法是研究光化学及光催化过程的有力手段。若能实现可见光激发-红外探测的光谱测试，对于研究光化学的基本过程有重要的意义和价值。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单、成本较低的基于飞秒泵浦探测的红外光谱系统。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于飞秒泵浦探测的红外光谱系统，其特征在于，该红外光谱系统包括飞秒激光器、光学参量放大器、分束镜、法布里珀罗干涉器、对角反射镜、光谱仪、红外阵列检测器和计算机；所述飞秒激光器将输出的飞秒激光脉冲发射到所述光学参量放大器；所述光学参量放大器将飞秒激光脉冲转换为飞秒中红外激光脉冲并经所述分束镜分成泵浦光和探测光；所述法布里珀罗干涉器用于将飞秒泵浦光窄化为皮秒光，通过改变所述法布里珀罗干涉器的电压获得不同波长的皮秒泵浦光，并将其发射到所述对角反射镜；所述对角反射镜固定在一用于带动所述对角反射镜运动，从而改变泵浦光光程的电动平移台上；经所述对角反射镜出射的皮秒光与经所述分束镜出射的探测光聚焦到待测样品，经所述待测样品出射的光信号经所述光谱仪发射到所述红外阵列检测器，所述数据采集卡采集所述红外阵列检测器光谱信号，并将其发送到所述计算机，获得在一系列皮秒泵浦光激发下待测样品的光谱信息。
优选地，该红外光谱系统还包括一Topas、另一对角反射镜和若干反射镜，所述飞秒激光器将输出的飞秒激光脉冲发射到所述Topas产生可见激发光，所述可见激发光经所述另一对角反射镜和若干反射镜聚焦到所述待测样品，所述另一对角反射镜固定在用于带动所述另一对角反射镜运动改变可见激发光光程的另一电动平移台上；经所述待测样品出射的光信号经所述光谱仪发射到所述红外阵列探测器，所述数据采集卡采集所述红外阵列检测器的光谱信号，并将其发送到所述计算机进行处理完成待测样品的光化学过程分析。
优选地，所述光学参量放大器包括第一～第二分光镜、第一～第二二向色镜、第一～第二对角反射镜、一宝石片和一KTP晶体，其中，第一对角反射镜和第二对角反射镜分别通过一手动平移台控制其运动；所述飞秒激光器发出的飞秒激光发射到第一分光镜，经所述第一分光镜反射的光作为第一路光依次经一反射镜和一聚焦镜聚焦到所述宝石片产生连续的白光，白光经所述第一对角反射镜发射到所述第一二向色镜；经所述第一分光镜透射的光依次发射到反射镜和第二分光镜，经所述第二分光镜反射的光作为一级泵浦发射到所述第一二向色镜，一级泵浦与白光产生一级放大，一级放大的光经所述KTP晶体、第二二向色镜和一凹面镜反射回到所述KTP晶体；经所述第二分光镜透射的光作为第三路光依次经第二对角反射镜、反射镜和所述第二二向色镜发射到所述KTP晶体，第三路光与一级放大光共同作用产生二级放大光，使得飞秒激光脉冲转换为飞秒中红外激光脉冲。
优选地，所述飞秒激光器输出800nm的飞秒激光，经所述光学参量放大器后直接产生2.5～4.4μm飞秒中红外激光脉冲。
优选地，所述计算机内设置一智能化控制系统，该智能化控制系统包括一法布里珀罗干涉器控制单元、二电动平移台控制显示单元、一光谱仪控制单元和一飞秒脉冲积分控制显示单元；所述法布里珀罗干涉器控制单元用于控制所述法布里珀罗干涉器输出的电压范围及电压数值，通过改变电压实现对窄化的泵浦光波长及脉宽的调节，获得不同频率激发光；所述电动平移台控制显示单元用于控制所有所述电动平移台的运动，通过控制所有所述电动平移台的运动，改变经相应所述对角反射镜出射的泵浦光和探测光之间的时间间隔；所述光谱仪控制单元用于实现测试过程中对光谱仪的光栅以及光栅的中心波长的选择；所述飞秒脉冲积分控制单元同时采集多检测通道，并将有激发光和无激发光两种情况下多通道光信号进行相除并取对数，得到瞬态红外光谱信号。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用法布里珀罗干涉器实现的窄带泵浦-宽带探测二维红外光谱系统，是皮秒中红外激发光与飞秒中红外探测光相结合，通过采集不同波长的皮秒泵浦光激发下的光谱实现二维红外光谱探测,相比于三束脉冲的傅立叶变换二维红外光谱方法的优势是十分明显的，既可以直接获得纯吸收的二维频域光谱信号，又可以解决传统二维红外光谱方法实现起来光路复杂，操作困难及成本高等问题。2、本发明还设置有可见光激发模式，通过Topas产生波长可调谐的可见激发光，能够以飞秒时间分辨率实现可见光激发-红外探测的光谱方法，用来检测样品的光化学过程。3、本发明由于设置有光学参量放大器，采用一个KTP晶体，可以直接将800nm的飞秒激光转换到2.5～4.4μm飞秒中红外波段，传统的产生中红外脉冲的方法需要一个BBO晶体将800nm的激光产生两束近红外光，另外一个DFG晶体将近红外光转换为中红外光，相比于传统的方法，本发明光路简单，成本较低。4、本发明设置有光谱仪单元，因此可以实现在光谱测试中光谱仪光栅以及光栅波长的选择，以满足不同波段光谱实验的要求。5、本发明设置红外阵列检测单元，可以实现多通道数据的采集和显示，所获得的窄带中红外脉冲光激发下或可见光激发下的待测样品的光谱信号，经过处理后可得到瞬态光信号。6、本发明设置有Labview软件环境编程实现的智能化控制系统，可实现对法布里珀罗干涉器、光谱仪、电动平移台的控制以及数据显示、存储等功能，能够实时观测所采集的光谱数据，对实验过程进行监测。综上，本发明通过一套系统既能实现对分子动态结构的检测，又能实现对分子光化学过程的追踪，为分子动力学研究提供便捷又全面的多功能检测手段。
附图说明
图1是本发明的基于飞秒泵浦探测的红外光谱系统原理示意图，其中，箭头方向表示电动平移台的运动方向；
图2是本发明的光学参量放大器的光路示意图；
图3是本发明的飞秒二维红外光谱系统的控制流程示意图；
图4是本发明的可见光激发-红外探测光谱系统的控制流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，本发明的基于飞秒泵浦探测的红外光谱系统，包括一飞秒激光器1、一光学参量放大器2、一分束镜3、一法布里珀罗干涉器4、一组对角反射镜5、一电动平移台(图中未示出)、一聚焦镜6、一样品池7、一光谱仪8、一红外阵列检测器9、一数据采集卡和一计算机，其中，一组对角反射镜5按照设定角度(本实施例中对角反射镜5之间的夹角为可调节)固定设置在电动平移台上，电动平移台可以带动对角反射镜5前后运动改变泵浦光和探测光之间的时间间隔光程。
飞秒激光器1将输出的飞秒脉冲激光发射到光学参量放大器2，光学参量放大器2将飞秒激光脉冲(例如飞秒激光脉冲的波长为800nm，以此为例，不限于此)转换为飞秒中红外激光脉冲，并将输出的飞秒中红外激光脉冲发射到分束镜3分成强弱两束(可以按照试验要求的分束比进行分束，在此不做限定)，其中，较强的中红外激光脉冲为泵浦光，用于激发样品，较弱的中红外激光脉冲为探测光，用于检测样品的变化。较强的中红外激光脉冲经法布里珀罗干涉器4窄化为皮秒泵浦光，通过改变法布里珀罗干涉器4的电压获得不同波长的皮秒泵浦光，并将其发射到对角反射镜5，经对角反射镜5出射的皮秒泵浦光经一反射镜反射后与经分束镜3出射的探测光均发射到聚焦镜6，聚焦镜6将两光束聚焦到样品池7，经样品池7出射的光信号经光谱仪8发射到红外阵列检测器9，数据采集卡采集红外阵列检测器9的多通道脉冲光谱信号，并将其发送到计算机进行处理，获得在一系列皮秒泵浦光激发下待测样品瞬态光谱以及相应的动力学曲线进行显示。
在一个优选的实施例中，该红外光谱系统还包括Topas10、一组对角反射镜11、一电动平移台(图中未示出)和若干反射镜12，飞秒激光器1输出的飞秒激光脉冲经Topas10后转换成可见激发光，可见激发光经对角反射镜11和若干反射镜12到达聚焦镜6，对角反射镜11固定在电动平移台上，电动平移台的移动可以带动对角反射镜11运动，从而改变可见激发光的光程，聚焦镜6将可见激发光和经分束镜3出射的红外探测光聚焦到样品池7，产生的光信号经光谱仪8发射到红外阵列探测器9，数据采集卡采集红外阵列检测器的光谱信号，并将其发送到计算机进行处理得到完成待测样品的光化学过程分析。
在一个优选的实施例中，样品池可以采用循环样品池，用来流动样品，避免待测样品受可见光激发后被打坏，保证测试的可靠性。
在一个优选的实施例中，如图2所示，光学参量放大器2可以采用KTP晶体直接将800nm的飞秒激光产生2.5～4.4μm中红外激光。光学参量放大器2包括若干分光镜、两二向色镜、二对角反射镜、一宝石片、若干反射镜和一KTP晶体。经飞秒激光器1出射的800nm的飞秒激光进入光学参量放大器后分成三路，具体过程为：飞秒激光发射到第一分光镜21，经第一分光镜21反射的光作为第一路光依次经反射镜22和聚焦镜23聚焦到宝石片230产生连续的白光，白光经第一对角反射镜24发射到第一二向色镜25；经第一分光镜21透射的光依次发射到反射镜26和第二分光镜260，经第二分光镜260反射的光作为一级泵浦发射到第一二向色镜25，与白光产生预放大，即产生一级放大，一级放大的光经KTP晶体29、第二二向色镜27和凹面镜28反射回到KTP晶体29；经第二分光镜260透射的光作为第三路光依次经第二对角反射镜261、反射镜262和第二二向色镜27发射到KTP晶体29，第三路光与一级放大光共同作用产生功放的光输出即二级放大光，使得800nm的飞秒激光产生2.5～4.4μm中红外激光，其中，第一对角反射镜24和第二对角反射镜261分别通过一手动平移台控制其运动。
在一个优选的实施例中，计算机内设置一基于Labview软件环境编程实现的智能化控制系统，该智能化控制系统包括一法布里珀罗干涉器控制单元、两电动平移台控制显示单元、一光谱仪控制单元、一飞秒脉冲积分控制显示单元和一数据采集存储单元；法布里珀罗干涉器控制单元用于控制法布里珀罗干涉器输出的电压范围及电压数值，输出电压的改变可以实现对窄化的飞秒泵浦光波长及脉宽的调节，实验时可以连续改变电压从而获得不同频率激发光。电动平移台控制显示单元用于控制和显示所有电动平移台的位置，通过控制所有电动平移台的运动，改变经相应对角反射镜出射的泵浦光和探测光之间的时间间隔，电动平移台控制显示单元内设置有电动平移台电动的归零、当前位置、移动位置、电动平移台移动步长，且电动平移台控制显示单元可以将移动步长换算为飞秒进行显示，为后续的飞秒泵浦探测红外光谱系统的实验操作提供了方便。光谱仪仪控制单元包括控制单元和显示单元，控制单元用于实现测试过程中对光谱仪8的光栅以及光栅的中心波长的选择，满足不同波段实验的要求，控制单元还可以对输入光狭缝以及出光位置进行选择，显示单元用于显示当前工作的光栅及其中心波长等参数。飞秒脉冲积分控制显示单元包括飞秒脉冲积分控制单元和信号实时显示单元，飞秒脉冲积分控制单元可以实现多检测通道的同时采集，并将有激发光和无激发光两种情况下多通道光信号进行相除并取对数，得到瞬态红外光谱信号，也可以由所获得的瞬态光信号显示特定频率位置的动力学曲线。信号实时显示单元既可以对飞秒脉冲积分控制单元输出的信号直接进行显示，也可以对接收到的光信号进行简单的数据分析处理后显示。实验者可以根据信号数据的信噪比监测测试结果，如果信噪比不高，则在测试过程中随时改进和调整实验方法，重新进行测试。判别测试结果的好坏的依据可以根据具体实验要求进行设置，本发明的实施例所采集的信号数据的信噪比大于10％，则需要改进和调整实验方法，重新进行测试。
如图3～4所示，下面通过具体实施例详细说明本发明的飞秒泵浦探测红外光谱系统的使用过程。
实施例一：采用本发明的飞秒二维红外光谱系统对待测样品进行光谱检测的具体过程，如图3所示：
1、将飞秒泵浦探测红外光谱系统的红外阵列检测器9通过数据采集卡连接到计算机；
2、对各仪器开始初始化；
3、设置法布里珀罗干涉器的初始电压数值。
4、光谱仪控制单元对光谱仪进行参数设置，包括实验所需要的光栅以及中心波长；
5、电动平移台控制单元对电动平移台的位置进行归零；
6、通过数据采集存储单元设置电动平移台的参数，确定电动平移台移动的步长、起始位置以及最终的位置，还需要对文件保存路径及文件名称进行设置；
7、开始测试时，首先判断数据采集存储单元的“SCAN”按钮是否启动，如果没有启动，则是仅仅按照设定的数值移动电动平移台到目标位置，如果启动，则扫描开始；
8、电动平移台移动一个步长，飞秒脉冲积分控制显示单元接收脉冲信号根据实验要求对信号进行进一步的处理，实时显示样品池出射的瞬态红外光谱信号以及动力学曲线，实验者可以根据信号强度和数据的信噪比等对实验过程进行监测，保证实验正确进行；
9、经过处理后的瞬态光谱数据以及相应的动力学曲线通过数据存储单元进行保存；
10、判断电动平移台是否移动到设定的扫描最终位置，如果是，则判断法布里珀罗干涉器的电压是否是目标电压，如果是，则结束信号采集；如果不是，则判断是否启动“STOP”按钮，如果是启动“STOP”按钮，则结束测试；如果不是，电动平移台移动到原点，增加法布里珀罗干涉器的电压数值，并重复8～9继续测试。
实施例二：采用本发明的可见光激发-红外探测光谱系统对待测样品进行光谱检测的具体过程，如图4所示：
1、将飞秒泵浦探测红外光谱系统的红外阵列检测器通过数据采集卡连接到计算机；
2、对各仪器开始初始化；
3、设置Topas输出的可见激发光的波长；
4、光谱仪控制单元对光谱仪进行参数设置，包括实验所需要的光栅以及中心波长；
5、电动平移台控制单元对电动平移台的位置进行归零；
6、通过数据采集存储单元设置电动平移台的参数，确定电动平移台移动的步长、起始位置以及最终的位置，还需要对文件保存路径及文件名称进行设置；
7、开始测试时，首先判断数据采集存储单元的“SCAN”按钮是否启动，如果没有启动，则是仅仅按照设定的数值移动电动平移台到目标位置，如果启动，则扫描开始；
8、电动平移台移动一个步长，飞秒脉冲积分控制显示单元接收脉冲信号根据实验要求对信号进行进一步的处理，实时显示样品池出射的瞬态光谱信号，实验者可以根据信号强度和数据的信噪比等对实验过程进行监测，保证实验正确进行；
9、经过处理后的光谱数据通过数据存储单元进行保存；
10、判断电动平移台是否移动到设定的扫描最终位置，如果是，则结束信号采集，如果否，重复8、9继续测试。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (5)
1.一种基于飞秒泵浦探测的红外光谱系统，其特征在于，该红外光谱系统包括飞秒激光器、光学参量放大器、分束镜、法布里珀罗干涉器、对角反射镜、光谱仪、红外阵列检测器和计算机；
所述飞秒激光器将输出的飞秒激光脉冲发射到所述光学参量放大器；所述光学参量放大器将飞秒激光脉冲转换为飞秒中红外激光脉冲并经所述分束镜分成泵浦光和探测光；所述法布里珀罗干涉器用于将飞秒泵浦光窄化为皮秒光，通过改变所述法布里珀罗干涉器的电压获得不同波长的皮秒泵浦光，并将其发射到所述对角反射镜；所述对角反射镜固定在一用于带动所述对角反射镜运动，从而改变泵浦光光程的电动平移台上；经所述对角反射镜出射的皮秒光与经所述分束镜出射的探测光聚焦到待测样品，经所述待测样品出射的光信号经所述光谱仪发射到所述红外阵列检测器，数据采集卡采集所述红外阵列检测器光谱信号，并将其发送到所述计算机，获得在一系列皮秒泵浦光激发下待测样品的光谱信息。
2.如权利要求1所述的一种基于飞秒泵浦探测的红外光谱系统，其特征在于，该红外光谱系统还包括一Topas、另一对角反射镜和若干反射镜，所述飞秒激光器将输出的飞秒激光脉冲发射到所述Topas产生可见激发光，所述可见激发光经所述另一对角反射镜和若干反射镜聚焦到所述待测样品，所述另一对角反射镜固定在用于带动所述另一对角反射镜运动改变可见激发光光程的另一电动平移台上；经所述待测样品出射的光信号经所述光谱仪发射到所述红外阵列探测器，所述数据采集卡采集所述红外阵列检测器的光谱信号，并将其发送到所述计算机进行处理完成待测样品的光化学过程分析。
3.如权利要求1所述的一种基于飞秒泵浦探测的红外光谱系统，其特征在于，所述光学参量放大器包括第一～第二分光镜、第一～第二二向色镜、第一～第二对角反射镜、一宝石片和一KTP晶体，其中，第一对角反射镜和第二对角反射镜分别通过一手动平移台控制其运动；
所述飞秒激光器发出的飞秒激光发射到第一分光镜，经所述第一分光镜反射的光作为第一路光依次经一反射镜和一聚焦镜聚焦到所述宝石片产生连续的白光，白光经所述第一对角反射镜发射到所述第一二向色镜；
经所述第一分光镜透射的光依次发射到反射镜和第二分光镜，经所述第二分光镜反射的光作为一级泵浦发射到所述第一二向色镜，一级泵浦与白光产生一级放大，一级放大的光经所述KTP晶体、第二二向色镜和一凹面镜反射回到所述KTP晶体；
经所述第二分光镜透射的光作为第三路光依次经第二对角反射镜、反射镜和所述第二二向色镜发射到所述KTP晶体，第三路光与一级放大光共同作用产生二级放大光，使得飞秒激光脉冲转换为飞秒中红外激光脉冲。
4.如权利要求1所述的一种基于飞秒泵浦探测的红外光谱系统，其特征在于，所述飞秒激光器输出800nm的飞秒激光，经所述光学参量放大器后直接产生2.5～4.4μm飞秒中红外激光脉冲。
5.如权利要求1～4任一项所述的一种基于飞秒泵浦探测的红外光谱系统，其特征在于，所述计算机内设置一智能化控制系统，该智能化控制系统包括一法布里珀罗干涉器控制单元、二电动平移台控制显示单元、一光谱仪控制单元和一飞秒脉冲积分控制显示单元；
所述法布里珀罗干涉器控制单元用于控制所述法布里珀罗干涉器输出的电压范围及电压数值，通过改变电压实现对窄化的泵浦光波长及脉宽的调节，获得不同频率激发光；所述电动平移台控制显示单元用于控制所有所述电动平移台的运动，通过控制所有所述电动平移台的运动，改变经相应所述对角反射镜出射的泵浦光和探测光之间的时间间隔；所述光谱仪控制单元用于实现测试过程中对光谱仪的光栅以及光栅的中心波长的选择；所述飞秒脉冲积分控制单元同时采集多检测通道，并将有激发光和无激发光两种情况下多通道光信号进行相除并取对数，得到瞬态红外光谱信号。
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