CN107831120B - 一种偏振泵浦探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振泵浦探测装置，包括：激光产生组件、泵浦激光调节组件、探测激光调节组件、第一偏振器、第二偏振器、第二分束器、第三分束器、合束器、第一偏振检测器、第二偏振检测器、滤光器和探测模块。本发明具有集偏振分辨、微区探测和宽谱探测为一体，可测量微米量级大小的纳米材料，分辨材料的各个晶体方向的光学性能，对材料中的激发态载流子同时实现超快时域和光谱域的动力学研究的优点。

Description

一种偏振泵浦探测装置

技术领域

本发明设计超快动力学领域，尤其涉及一种偏振泵浦探测装置，特别适合用于光学材料载流子、声子和分子的驰豫特性计量，超快光谱、相移色散计量和材料工程中，以及光学材料，特别是纳米材料的超快动力学研究中。

背景技术

具有独特优异性能的纳米材料在发光二极管（LED）、激光器、太阳能电池、自旋和能谷电子学等领域有广泛的研究及应用。

材料的瞬态吸收动力学过程直接决定了材料器件的工作原理、结构设计以及最终性能。通常通过泵浦探测技术来测量材料的瞬态吸收光谱，一般有两种测量系统。在第一种系统中，泵浦光采用飞秒单色光，探测光采用飞秒超连续谱白光，两束光以非同轴方式，由标准透镜聚焦到样品表面上同一点。由泵浦光来激发样品中基态电子，通过探测不同时刻的探测光的透过率或反射率来测算该时刻下激发态电子的数目及能量分布，两束光的延迟通过调节光程差获得。

已知第一种系统的缺点在于，由于泵浦光和探测光采用非同轴方式入射，不能通过物镜聚焦，只能通过各自的透镜聚焦，光斑大小至少在百微米量级，不能实现一微米大小的微区测量。

在第二种系统中，泵浦光和探测光都采用飞秒单色光，两束光通过二向色镜合束之后，由显微物镜聚焦到样品表面上同一点。通过泵浦光激发样品中的基态电子，通过探测不同时刻的探测光透过率或反射率来测算该时刻下特定能量的激发态电子的数目，两束光的延迟通过调节光程差获得。

已知第二种系统的缺点在于，首先，由于采用单色的探测光，不能获得不同时刻下激发态载流子的能量分布，缺乏对载流子能量转移、电荷转移等过程的直观探测；其次，探测光和泵浦光的合束片采用二向色镜或分光片，这些片子对s和p偏振光的透射或反射的相位及强度都有所改变，无法精确实现偏振探测。

当下针对纳米材料超快光谱探测的相关研究需求巨大，传统泵浦探测技术无法满足测量需求。能够针对纳米材料的特殊需求，集合偏振分辨、微区探测和宽谱探测为一体的瞬态吸收谱测量技术研究有着重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种集偏振分辨、微区探测和宽谱探测为一体，可测量微米量级大小的纳米材料，分辨材料的各个晶体方向的光学性能，对材料中的激发态载流子同时实现超快时域和光谱域的动力学研究的偏振泵浦探测装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种偏振泵浦探测装置，包括：激光产生组件、泵浦激光调节组件、探测激光调节组件、第一偏振器、第二偏振器、第二分束器、第三分束器、合束器、第一偏振检测器、第二偏振检测器、滤光器和探测模块；

所述激光产生组件用于产生泵浦激光和探测激光；

所述泵浦激光调节组件用于调节所述泵浦激光的参数；

所述探测激光调节组件用于调节所述探测激光的参数，生成具有超连续谱的探测激光；

所述第二分束器用于从所述探测激光中分出一路探测参考激光；

所述第一偏振器用于调整所述泵浦激光的偏振状态；

所述第二偏振器用于调整所述探测激光的偏振状态；

所述第三分束器用于反射所述探测激光，并透射待测样品的反射光；

所述第一偏振检测器用于对所述反射光进行检偏；

所述合束器用于将所述泵浦激光和所述探测激光合束，并反射待测样品的反射光；

所述第二偏振检测器用于对所述待测样品的透射光进行检偏；

所述滤光器用于滤除所述透射光中的泵浦激光；

所述探测模块用于对所述探测参考激光、反射光和透射光进行光谱探测。

作为本发明的进一步改进，所述泵浦激光以小角度透射所述合束器；所述探测激光由所述合束器以小角度反射。所述小角度为小于10度。

作为本发明的进一步改进，所述泵浦激光调节组件包括依次设置在光路上的光参量放大器、斩波器和光强调节器；

所述光参量放大器用于调节所述泵浦激光的波长；

所述斩波器用于调制泵浦光的脉冲；

所述光强调节器用于调节泵浦激光的光强。

作为本发明的进一步改进，所述泵浦激光调节组件还包括第一分束器、光强探测器；

所述第一分束器用于从所述泵浦激光中按比例分出一路泵浦参考激光；

所述光强探测器用于测量所述泵浦参考激光的光强。

作为本发明的进一步改进，所述探测激光调节组件包括依次设置在光路上的延迟器、超连续谱产生器；

所述延迟器用于调节探测激光的光程；

所述超连续谱产生器用于将所述探测激光调节为超连续谱激光。

作为本发明的进一步改进，还包括设置在待测样品前方的聚焦系统，用于聚集照射到待测样品上的激光。

作为本发明的进一步改进，所述聚焦系统为反射式物镜。

作为本发明的进一步改进，还包括收集组件；所述收集组件设置在所述探测模块前端，用于对所述探测参考激光、和/或反射光、和/或透射光进行聚焦。

作为本发明的进一步改进，还包括设置在所述聚焦系统前端的显微光学成像装置，所述显微光学成像装置用于对所述待测样品进行显微成像。

作为本发明的进一步改进，所述激光产生组件包括一台激光器和第四分束器；所述激光器用于产生激光，所述第四分束器用于将所述激光分为泵浦激光和探测激光。

作为本发明的进一步改进，还包括计算机，所述计算机分别与所述斩波器、光强调节器、延迟器、探测模块、光强探测器和显微光学成像装置连接；用于对所述斩波器、光强调节器、延迟器进行控制，并接收所述光强探测器、所述探测模块的测量结果以及所述光学成像模块的成像图像。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明中起偏器（包括第一偏振器17和第二偏振器12）和合束器18之间不放置任何大角度镜片，保证了泵浦激光和探测激光在起偏器到合束器之间偏振状态不会改变；泵浦激光和探测激光采用滤光片进行合束，探测激光以小于10度的小角度反射，泵浦激光以小角度透射，保证两束光在合束时偏振状态不会变化；在合束后，到待测样品之前，不放置任何大角度镜片，保证了两束光在合束后的偏振状态不会变化；在经过样品之后，到第二偏振检测器之前，不放置任何大角度镜片，保证了探测激光在检偏之前偏振状态不会变化，从而可以实现任意角度下的偏振瞬态吸收谱的测量。

2、本发明中采用聚焦系统对飞秒超连续谱探测激光脉冲进行聚焦，并通过显微光学成像装置来实现对待测样品的观测，在实现宽谱探测的同时，能够准确的调整、确定待测样品的测量区域，以及获取等测样品测量区域的光学图像，实现微区测量。

3、本发明中所述聚焦系统采用反射式物镜，通过反射式物镜对宽谱探测激光进行聚焦，消除了宽谱探测激光在一般物镜中产生的啁啾效应、自相位调制效应等的恶劣影响。

附图说明

图1为本发明具体实施例结构示意图。

图例说明：1、激光产生组件；2、光参量放大器；3、斩波器；4、光强调节器；5、第一反射镜；6、延迟器；7、第一透镜；8、超连续谱产生器；9、第二反射镜；10、第二分束器；11、第三反射镜；12、第二偏振器；13、第三分束器；14、第一偏振检测器；15、收集组件；16、第一分束器；17、第一偏振器；18、合束器；19、薄膜分束器；20、聚焦系统；21、待测样品；22、第二偏振检测器；23、滤光器；24、光强探测器；25、第二透镜；26、显微光学成像装置；27、探测模块；28、计算机；29、第四分束器。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例的偏振泵浦探测装置，包括：激光产生组件1、泵浦激光调节组件、探测激光调节组件、第一偏振器17、第二偏振器12、第二分束器10、第三分束器13、合束器18、第一偏振检测器14、第二偏振检测器22、滤光器23和探测模块27；激光产生组件1用于产生泵浦激光和探测激光；泵浦激光调节组件用于调节泵浦激光的参数；探测激光调节组件用于调节探测激光的参数，生成具有超连续谱的探测激光；第二分束器10用于从探测激光中分出一路探测参考激光；第一偏振器17用于调整所述泵浦激光的偏振状态；第二偏振器12用于调整所述探测激光的偏振状态；第三分束器13用于反射探测激光，并透射待测样品的反射光；第一偏振检测器14用于对反射光进行检偏；合束器18用于将泵浦激光和探测激光合束，并反射待测样品的反射光；第二偏振检测器22用于对待测样品的透射光进行检偏；滤光器23用于滤除透射光中的泵浦激光；探测模块27用于对探测参考激光、反射光和透射光进行光谱探测。

在本实施例中，激光产生组件1包括一台激光器和第四分束器29；激光器为飞秒激光器，用于产生飞秒激光，第四分束器29用于将激光分为泵浦激光和探测激光。第三分束器13为分光镜或半透半反镜；照射在第三分束器13上的激光，其中一部分反射至合束器18，另一部分透射。合束器18为滤光片，用于透射泵浦激光，并反射探测激光，因此，可以将探测激光和泵浦激光进行合束。探测激光和泵浦激光通过合束器18合束后，照射待测样品，待测样品的反射光沿原光路返回，反射光中的泵浦激光直接透射合束器18，即通过合束器18可以过滤掉反射光中的泵浦激光，反射光中的探测激光由合束器18反射至第三分束器13。反射光经第三分束器13分为透射与反射两部分，反射部分不需要用于检测，透射部分通过第一偏振检测器14检偏后，通过探测模块27进行测量。待测样品的透射光通过第二偏振检测器22进行检偏，并通过滤光器23滤除其中的泵浦激光，通过探测模块27对透射光中的探测激光进行测量。本实施例中，滤光器23为滤光片。

在本实施例中，泵浦激光以小角度透射合束器18；探测激光由合束器18以小角度反射。第三分束器13以小角度对探测激光进行分束。并且，在合束器18到待测样品之间，没有任何45度方向的反射镜或分光镜，避免了探测激光在起偏后至检偏过程中偏振状态的改变。本实施例中，小角度指入射角小于10度。

在本实施例中，由第二分束器10分出的探测参考激光直接由探测模块27进行测量，用于消除测量噪声。

在本实施例中，泵浦激光调节组件包括依次设置在光路上的光参量放大器2、斩波器3和光强调节器4；光参量放大器2用于调节泵浦激光的波长；斩波器3用于调制泵浦光的脉冲；光强调节器4用于调节泵浦激光的光强。泵浦激光调节组件还包括第一分束器16、光强探测器24；第一分束器16用于从泵浦激光中按比例分出一路泵浦参考激光；光强探测器24用于测量泵浦参考激光的光强。

斩波器3可以计算机的控制下，调节泵浦激光的脉冲。光强调节器4设置在电动旋转架上的光学衰减轮，通过计算机28来控制电动旋转架的旋转，控制光学衰减轮的转动，从而调节泵浦激光的光强。第一分束器16将泵浦激光按比例进行分束，并通过光强探测器24探测其光强，并传送至计算机28，计算机28通过比较目前功率值与所要获得的光强，调整所述光强调节器4的位置，形成闭合回路，最终获得所要光强。在泵浦激光的光路中，还可以根据光路的需要，设置一个或多个反射镜。本实施例中，通过第一反射镜5的调整以获得满足测量需求的泵浦激光的光路。

在本实施例中，探测激光调节组件包括依次设置在光路上的延迟器6、超连续谱产生器8；延迟器6用于调节探测激光的光程；超连续谱产生器8用于将探测激光调节为超连续谱激光。延迟器6可以在计算机28的控制下对光程进行调节，从而获得不同的泵浦激光和探测激光的光程差，即可实现不同延迟下瞬态吸收谱的测量。在本实施例中，在超连续谱产生器8前端，还设置有第一透镜7，用于对探测激光进行聚焦。在探测激光的光路中，还可以设置一个或多个反射镜，如本实施例中图1所示，还包括第二反射镜9和第三反射镜11，用于改变光路，以更方便的设置、安装各设备。

在本实施例中，还包括设置在待测样品21前方的聚焦系统20，用于聚集照射到待测样品21上的激光。聚焦系统采用反射式物镜，相对于传统的透射式物镜，避免了宽谱光谱探测系统中常见的啁啾效应和自相位调制效应等赝信号的影响，极大提高了系统的时间分辨率。

在本实施例中，还包括收集组件15；收集组件15设置在探测模块27前端，用于对探测参考激光、和/或反射光、和/或透射光进行聚焦。

在本实施例中，还包括设置在聚焦系统20前端的显微光学成像装置26，显微光学成像装置26用于对待测样品21进行显微成像。在显微光学成像装置26前端的光路上，还可以设置第二透镜25。在本实施例中，在显微光学成像装置26成像光路上，还设置有可移动的薄膜分束器19，在探测前对待测样品的探测区域进行观察时，将薄膜分束器19置入光路中，以方便观察样品表面、对准光路。在确定了待测样品的探测区域后，将薄膜分束器19移出光路，进行探测。

在本实施例中，还包括计算机28，计算机28分别与斩波器3、光强调节器4、延迟器6、探测模块27、光强探测器24和显微光学成像装置26连接；用于对斩波器3、光强调节器4、延迟器6进行控制，并接收光强探测器24、探测模块27的测量结果以及光学成像模块的成像图像。

计算机28与斩波器3连接，获得斩波器3的相位，并根据相位分布获得泵浦激光的调制状态，从而使得探测系统能够分别测量在泵浦激光开状态下的吸收光谱和闭状态下的吸收光谱，计算机28可根据该光谱测算两者的差值获得特定延迟下的激发态载流子特性。计算机28与光强调节器4和光强探测器24连接，计算机28控制光强调节器4的电动旋转架的旋转，从而电动控制光强调节器4的调节量，光强探测器24读取当前调节量的泵浦激光的功率，再反馈至计算机，形成闭合回路，实现对泵浦激光的光强的自动调节。计算机28与显微光学成像装置26相连，实现对图像的显示、分析与处理。计算机28与探测模块27相连，同时获得探测参考激光、以及泵浦激光和探测激光照射待测样品21的透射光和反射光的光谱，通过运算获得样品的瞬态吸收谱。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种偏振泵浦探测装置，其特征在于，包括：激光产生组件（1）、泵浦激光调节组件、探测激光调节组件、第一偏振器（17）、第二偏振器（12）、第二分束器（10）、第三分束器（13）、合束器（18）、第一偏振检测器（14）、第二偏振检测器（22）、滤光器（23）和探测模块（27）；

所述激光产生组件（1）用于产生泵浦激光和探测激光；

所述泵浦激光调节组件用于调节所述泵浦激光的参数；

所述探测激光调节组件用于调节所述探测激光的参数，生成具有超连续谱的探测激光；

所述第二分束器（10）用于从所述探测激光中分出一路探测参考激光；

所述第一偏振器（17）用于调整所述泵浦激光的偏振状态；

所述第二偏振器（12）用于调整所述探测激光的偏振状态；

所述第三分束器（13）用于反射所述探测激光，并透射待测样品的反射光；

所述第一偏振检测器（14）用于对经第三分束器（13）透射的所述反射光进行检偏；

所述合束器（18）用于将所述泵浦激光和所述探测激光合束，并反射待测样品的反射光；

所述第二偏振检测器（22）用于对所述待测样品的透射光进行检偏；

所述滤光器（23）用于滤除所述透射光中的泵浦激光；

所述探测模块（27）用于对所述探测参考激光、反射光和透射光进行光谱探测；

所述泵浦激光调节组件、第一偏振器（17）、合束器（18）依次设置在所述泵浦激光的光路中；

所述探测激光调节组件、第二分束器（10）、第二偏振器（12）、第三分束器（13）、合束器（18）依次设置在所述探测激光的光路中。

2.根据权利要求1所述的偏振泵浦探测装置，其特征在于：所述泵浦激光调节组件包括依次设置在光路上的光参量放大器（2）、斩波器（3）和光强调节器（4）；

所述光参量放大器（2）用于调节所述泵浦激光的波长；

所述斩波器（3）用于调制泵浦光的脉冲；

所述光强调节器（4）用于调节泵浦激光的光强。

3.根据权利要求2所述的偏振泵浦探测装置，其特征在于：所述泵浦激光调节组件还包括第一分束器（16）、光强探测器（24）；

所述第一分束器（16）用于从所述泵浦激光中按比例分出一路泵浦参考激光；

所述光强探测器（24）用于测量所述泵浦参考激光的光强。

4.根据权利要求3所述的偏振泵浦探测装置，其特征在于：所述探测激光调节组件包括依次设置在光路上的延迟器（6）、超连续谱产生器（8）；

所述延迟器（6）用于调节探测激光的光程，控制探测激光和泵浦激光的光程差；

所述超连续谱产生器（8）用于将所述探测激光调节为超连续谱激光。

5.根据权利要求4所述的偏振泵浦探测装置，其特征在于：还包括设置在待测样品（21）前方的聚焦系统（20），用于聚集照射到待测样品（21）上的激光。

6.根据权利要求5所述的偏振泵浦探测装置，其特征在于：所述聚焦系统（20）为反射式物镜。

7.根据权利要求6所述的偏振泵浦探测装置，其特征在于：还包括收集组件（15）；所述收集组件（15）设置在所述探测模块（27）前端，用于对所述探测参考激光、和/或反射光、和/或透射光进行聚焦。

8.根据权利要求7所述的偏振泵浦探测装置，其特征在于：还包括设置在所述聚焦系统（20）前端的显微光学成像装置（26），所述显微光学成像装置（26）用于对所述待测样品（21）进行显微成像。

9.根据权利要求8所述的偏振泵浦探测装置，其特征在于：所述激光产生组件（1）包括一台激光器和第四分束器（29）；所述激光器用于产生激光，所述第四分束器（29）用于将所述激光分为泵浦激光和探测激光。

10.根据权利要求8或9所述的偏振泵浦探测装置，其特征在于：还包括计算机（28），所述计算机（28）分别与所述斩波器（3）、光强调节器（4）、延迟器（6）、探测模块（27）、光强探测器（24）和显微光学成像装置（26）连接；用于对所述斩波器（3）、光强调节器（4）、延迟器（6）进行控制，并接收所述光强探测器（24）、所述探测模块（27）的测量结果以及所述光学成像模块的成像图像。

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