CN107764764B - 一种可见激发-宽带红外探测超快光谱装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可见激发‑宽带红外探测光谱装置，飞秒激光器输出的飞秒激光经过平面反射镜和第一电动平移台发射到红外连续白光产生装置，红外连续白光产生装置用于产生带宽覆盖的红外连续白光信号同时残留可见光信号，红外连续白光产生装置将出射的光信号发射到锗片，经锗片透射的红外连续白光信号为探测光，经锗片反射的可见光信号经斩波器发射带通滤光片，经带通滤波片出射的光信号作为激发光，激发光经第二电动平移台和平面反射镜与探测光一起经其中一抛物镜聚焦待测样品，经待测样品出射的光信号经另一抛物镜出射后进入光谱仪，光谱仪将待测样品的红外光谱信号发射到MCT红外阵列检测器进行检测。
Description
技术领域
本发明是关于一种可见激发-宽带红外探测超快光谱装置，涉及光学探测技术领域。
背景技术
飞秒可见泵浦-红外探测技术在研究激发态分子动力学方面具有重要应用，有助于认识如感光蛋白、DNA以及光催化剂等一些重要的生物和化学体系处于光激发态时的电子转移及其伴随的结构动力学过程。这类光谱仪主要由可见泵浦光源和红外探测光源构成。
现有技术的可见泵浦光源一般通过非共线可见光参量放大装置获取，红外探测光源主要通过近红外光参量放大装置结合差频产生装置获得。但是，由后者得到的中红外光源的光谱频宽一般只有200～300cm-1的半峰宽。因此，它能够同时探测的红外振动模式非常有限。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构紧凑且能够获取丰富激发态分子结构信息的可见激发-宽带红外探测超快光谱装置。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种可见激发-宽带红外探测光谱装置，其特征在于，该光谱装置包括飞秒激光器、若干平面反射镜、第一电动平移台、第二电动平移台、红外连续白光产生装置、锗片、斩波器、带通滤波片、一对抛物镜、MCT红外阵列检测器、光谱仪和计算机；所述飞秒激光器输出的飞秒激光经过所述平面反射镜和第一电动平移台发射到所述红外连续白光产生装置，所述红外连续白光产生装置用于产生宽带覆盖的红外连续白光信号同时残留可见光信号，所述红外连续白光产生装置将出射的光信号发射到所述锗片，经所述锗片透射的红外连续白光信号为探测光，经所述锗片反射的可见光信号经所述斩波器发射所述带通滤光片，经所述带通滤波片出射的光信号作为激发光，激发光经所述第二电动平移台和平面反射镜与探测光一起经其中一所述抛物镜聚焦待测样品，经所述待测样品出射的光信号经另一所述抛物镜出射后进入所述光谱仪，所述光谱仪将待测样品的红外光谱信号发射到所述MCT红外阵列检测器进行检测；所述计算机连接第一电动平移台、第二电动平移台、斩波器和MCT红外阵列检测器。
进一步地，所述红外连续白光产生装置包括I类型相位匹配的BaB2O4晶体、方解石晶体、双波片、三倍频BaB2O4晶体、两凹面镜和惰性气体池，其中，所述BaB2O4晶体、方解石晶体、双波片和三倍频BaB2O4晶体平行间隔设置；所述飞秒激光器输出的飞秒激光依次通过所述BaB2O4晶体、方解石晶体、双波片和三倍频BaB2O4晶体得到延迟时间可调、偏振相同的三束输出光，分别为飞秒激光的基频光、倍频光和三倍频光，三束输出光通过其中一所述凹面镜后在所述惰性气体池中聚焦成丝产生红外连续白光，所述红外连续白光经过另一所述凹面镜进行光束准直后发射到所述锗片，通过所述锗片分离出所需的红外连续白光和飞秒激光的基频光、倍频光和三倍频光。
进一步地，所述惰性气体采用氩气。
进一步地，所述计算机内设置有智能化控制系统，所述智能化控制系统包括电动平移台控制模块、斩波器控制模块、检测控制模块和数据采集模块，所述电动平移台控制模块用于控制各所述电动平移台的运动进而调节激发光与探测光之间的延迟时间，所述斩波器控制模块用于控制所述斩波器并根据设定的工作频率对激发光斩波，所述检测控制模块用于控制所述MCT红外阵列检测器对探测光进行单脉冲检测，并将每两组相邻脉冲的阵列瞬态光谱进行对数差减得到瞬态红外光谱结果。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的可见激发光来自于红外连续白光产生过程中的三束残余光(基频光、倍频光和三倍频光)，借助带通滤光片可以进行选择性的分离，因此本发明能够得到中心波长在800nm、400nm和266nm三个波段的泵浦激发光源，上述波段光源是在研究分子体系光激发动力学实验中最常用的几个波段，例如DNA的激发波长位于266nm附近，感光蛋白的激发波长位于400nm附近，一些半导体的激发波长位于800nm附近；进一步，本发明的红外连续白光产生装置可以获得覆盖1000～3000cm-1光谱范围的红外探测光，它能够涵盖大量重要的分子体系振动模式，从而可以获取更为丰富的激发态分子结构信息。2、本发明通过简单的光路实现了可见激发-宽带红外探测光谱装置，可以用于获取处于电子激发态分子结构的瞬态红外光谱。3、本发明结构简单紧凑，通过直线型的结构设计，可以得到超快红外连续白光光源。
附图说明
图1是本发明基于可见激发-宽带红外探测装置结构示意图，需要说明的是图中数字只标出单个元件的位置，其它相同的图标即表示了与它相同的元件；
图2是本发明红外连续白光产生装置结构示意图；
图3是本发明基于可见激发-宽带红外探测装置的控制流程示意图。
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，本发明提供的可见激发-宽带红外探测光谱装置，包括一飞秒激光器1、若干平面反射镜2、两电动平移台3、一红外连续白光产生装置4、一锗片5、一斩波器6、一带通滤波片7、一对抛物镜8、一样品池架9、一光谱仪10、一MCT红外阵列检测器11和一计算机。
飞秒激光器1输出的飞秒激光脉冲(本发明实施例中飞秒激光脉冲的中心波长为800nm，以此为例)经过平面反射镜2和第一电动平移台3发射到红外连续白光产生装置4，其中，第一电动平移台3用于延迟该路光的光程。
红外连续白光产生装置4用于产生宽带覆盖的红外连续白光信号，同时仍残留不同波长的可见光，红外连续白光产生装置4将出射的光信号发射到锗片5，锗片5可以透射红外光并反射可见光，经锗片5透射的红外连续白光信号为探测光，经锗片5反射的光为残余的可见光，经锗片5反射的可见光信号经斩波器6发射到带通滤光片7，本实施例的带通滤波片7可以分别透过中心波长为800nm、400nm或266nm的光信号(以此为例，不限于此)，经带通滤波片7出射的光信号作为激发光，激发光经第二电动平移台3和反射镜与探测光一起通过其中一抛物镜81聚焦放置在样品池架9上的待测样品，经待测样品出射的光信号经过另一抛物镜82出射后进入光谱仪10，光谱仪10将待测样品的红外光谱信号发射到MCT红外阵列检测器11进行检测，MCT红外阵列检测器11检测到的数据经数据采集卡发送到计算机。
第二电动平移台3用于控制激发光与探测光之间的延迟时间。
计算机用于控制两电动平移台3、斩波器6和MCT红外阵列检测器11的工作，并通过数据处理得到待测样品的瞬态红外光谱。
在一个优选的实施例中，如图2所示，红外连续白光产生装置4用于将获得的飞秒激光器1的基频光、倍频光和三倍频光在特定的气体介质中聚焦成丝，产生宽带覆盖的红外连续白光，其包括I类型相位匹配的BaB2O4晶体41、方解石晶体42、双波片43、三倍频BaB2O4晶体44、两焦距为200mm的凹面镜45和惰性气体池46，惰性气体46可以采用氩气，使飞秒激光在里面聚焦。其中，BaB2O4晶体41、方解石晶体42、双波片43和三倍频BaB2O4晶体44平行间隔设置。飞秒激光器41输出波长为800nm飞秒脉冲激光依次通过BaB2O4晶体41、方解石晶体42、双波片43和三倍频BaB2O4晶体44得到延迟时间可调，偏振相同的三束输出光，分别为800nm的基频光、倍频光和三倍频光，三束输出光通过其中一凹面镜45后在惰性气体池46中聚焦成丝产生红外连续白光，红外连续白光具有超短的时间特性和宽带的频域特性，红外连续白光经过另一凹面镜45进行光束准直后射出发射到锗片5，通过锗片5分离出所需的红外连续白光和残余的800nm、400nm和266nm的光。
在一个优选的实施例中，计算机内设置一个基于LabVIEW软件环境编程实现的智能化控制系统，它可以实现对电动平移台3、斩波器6和MCT红外阵列检测器10的控制，包括电动平移台控制模块、斩波器控制模块、检测控制模块和数据采集模块，电动平移台控制模块用于控制各电动平移台3的运动进而调节激发光与探测光之间的延迟时间，斩波器控制模块用于控制斩波器6并对根据设定的工作频率对激发光斩波，检测控制模块用于控制MCT红外阵列检测器10对探测光进行单脉冲检测，并将每两组相邻脉冲的阵列瞬态光谱进行对数差减得到瞬态红外光谱结果。
本发明可以实现可见激发-宽带红外探测光谱的采集，例如以800nm的飞秒激光作为输入光源，通过红外连续白光产生装置4后可以得到宽带的红外探测光源以及可见的激发光源，红外探测光源和可见激发光源在待测样品上聚焦后进行检测，可以得到反映分子激发态动力学的超快光谱。下面通过具体实施例详细说明本发明的基于可见激发-宽带红外探测超快光谱装置的使用过程，具体为：
1、各仪器进行初始化；
2、设定各仪器的初始值，包括弛豫时间零点、平均次数、弛豫时间改变的步长、起始位置以及最终的位置和文件保存路径、文件名称；
3、开始实验；
4、控制第二电动平移台3移动到第一个设定的弛豫时间，在该弛豫时间下MCT红外阵列检测器10将采集到N组探测光光谱，N是由平均次数决定的；其中每相邻的两组数据为有激发光和没有激发光存在情况下的探测光光谱。通过斩波器控制模块控制斩波器6的时序脉冲输出，可以判断出哪组数据为有激发光的情况，哪组数据为没有激发光的情况。将相邻的有激发光的光强值与没有激发光的光强值相除后取对数可以得到一组瞬态光谱数据，最终可以得到N/2组光谱数据，将这些数据平均后便得到了一个弛豫时间下的待测样品的瞬态光谱，最后将这些数据和对应的弛豫时间进行存储。
5、判断是否完成了所有弛豫时间下的数据采集，若未完成重复过程4，若已完成结束实验。
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 (4)
1.一种可见激发-宽带红外探测光谱装置，其特征在于，该光谱装置包括飞秒激光器、若干平面反射镜、第一电动平移台、第二电动平移台、红外连续白光产生装置、锗片、斩波器、带通滤波片、一对抛物镜、MCT红外阵列检测器、光谱仪和计算机；
所述飞秒激光器输出的飞秒激光经过所述平面反射镜和第一电动平移台发射到所述红外连续白光产生装置，所述红外连续白光产生装置用于产生宽带覆盖的红外连续白光信号同时残留可见光信号，所述红外连续白光产生装置将出射的光信号发射到所述锗片，经所述锗片透射的红外连续白光信号为探测光，经所述锗片反射的可见光信号经所述斩波器发射到所述带通滤波片，经所述带通滤波片出射的光信号作为激发光，激发光经所述第二电动平移台和平面反射镜与探测光一起经其中一所述抛物镜聚焦待测样品，经所述待测样品出射的光信号经另一所述抛物镜出射后进入所述光谱仪，所述光谱仪将待测样品的红外光谱信号发射到所述MCT红外阵列检测器进行检测；
所述计算机连接第一电动平移台、第二电动平移台、斩波器和MCT红外阵列检测器。
2.如权利要求1所述的一种可见激发-宽带红外探测光谱装置，其特征在于，所述红外连续白光产生装置包括I类型相位匹配的BaB2O4晶体、方解石晶体、双波片、三倍频BaB2O4晶体、两焦距为200mm的凹面镜和惰性气体池，其中，所述BaB2O4晶体、方解石晶体、双波片和三倍频BaB2O4晶体平行间隔设置；
所述飞秒激光器输出的飞秒激光依次通过所述BaB2O4晶体、方解石晶体、双波片和三倍频BaB2O4晶体得到延迟时间可调、偏振相同的三束输出光，分别飞秒激光的基频光、倍频光和三倍频光，三束输出光通过其中一所述凹面镜后在所述惰性气体池中聚焦成丝产生红外连续白光，所述红外连续白光经过另一所述凹面镜进行光束准直后发射到所述锗片，通过所述锗片分离出所需的红外连续白光和飞秒激光的基频光、倍频光和三倍频光。
3.如权利要求2所述的一种可见激发-宽带红外探测光谱装置，其特征在于，所述惰性气体采用氩气。
4.如权利要求1到3任一项所述的一种可见激发-宽带红外探测光谱装置，其特征在于，所述计算机内设置有智能化控制系统，所述智能化控制系统包括电动平移台控制模块、斩波器控制模块、检测控制模块和数据采集模块，所述电动平移台控制模块用于控制各所述电动平移台的运动进而调节激发光与探测光之间的延迟时间，所述斩波器控制模块用于控制所述斩波器并对根据设定的工作频率对激发光斩波，所述检测控制模块用于控制所述MCT红外阵列检测器对探测光进行单脉冲检测，并将每两组相邻脉冲的阵列瞬态光谱进行对数差减得到瞬态红外光谱结果。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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