CN109471265B - 一种双光束泵浦-探测的空间不敏感聚焦对准方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光器技术领域，公开了一种双光束泵浦‑探测的空间不敏感聚焦对准方法及系统，通过采用透射式正圆锥镜系统组合缩束系统对泵浦光一路单独进行光束整形；通过设计光束整形系统的参数，获得拥有特定尺寸的中心光斑和扩展焦深的贝塞尔光束；通过在探测光一路使用一个偏振分光棱镜和λ/4波片进行反馈信号的探测；通过插入一个45°的二色镜将探测光与泵浦光同轴的耦合进聚焦透镜，实现焦区的空间重合。本发明通过光束整形得到的高斯‑贝塞尔光束可保持光束横截面不变，且焦深可以延伸到很长的范围(百微米至毫米)，极大的缓解了泵浦‑探测中对光束在样品表面聚焦对准的严苛的调节要求。

Description

一种双光束泵浦-探测的空间不敏感聚焦对准方法及系统

技术领域

本发明属于激光器技术领域，尤其涉及一种双光束泵浦-探测的空间不敏感聚焦对准方法及系统。具体涉及一种基于光束整形的改进方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：

泵浦-探测技术是一种获取超快现象信息的诊断工具，大致原理如下。首先，样品被强的泵浦光脉冲击中(时间零点)后，在样品中产生了某种激发(或修改)。随后弱的探测光脉冲(对激励不产生新的贡献)经过可调节的时间延迟(由光延迟线控制)击中样品，并对其透射或反射信号进行测量。探测信号作为时间延迟的函数，可以获得关于所产生的激励的衰减信息或者由泵浦脉冲激发的其他过程的信息。泵浦-探测技术的时间分辨率原则上仅受泵浦和探测脉冲的脉冲持续时间的限制。以飞秒超短光脉冲为时间精密探针发展起来的泵浦-探测技术被广泛使用于微时间尺度的超快事件的研究中。例如在时间分辨的光谱学中发展出的泵浦-探测光谱技术；微观传热学中，通过泵浦光的瞬时激发以及时间分辨的探针信号可以分辨热传递载流子的相互作用。在激光诱导的材料烧蚀或表面结构化的机理研究方面，可以获悉材料被激发后瞬态光学特性，载流子扩散及其电子(等离子体)的动态响应等。

现有技术存在的问题是：

在实际光路实现中，往往需要将脉冲聚焦至样品表面以获得足够高的空间分辨率，或产生足够强的激光通量来激发目标，常常面临如下的困难：(1)焦面对准的困难。尤其在需要紧聚焦情况下，光束的聚焦光斑直径一般仅在波长量级，此条件下高斯光束的焦深仅有几个微米，这对样品的表面光洁度以及焦面以及样品表面的精确对准均提出了较高要求。(2)泵浦-探测两光脉冲的焦区在空间重合的困难。时间上的重合可以通过对光源同步(相异光源)外加扫描延时线来实现，但空间上(轴向)的重合将受到两光束发散角、聚焦物镜的残余色差等多方面的影响，对准比较困难。(3)调节相对焦斑大小的困难。在高空间分辨的泵浦-探测研究中，一般要求探测光的焦斑应显著小于泵浦光焦斑，以满足泵浦激发均匀背景的条件。在很多实验中直接利用基频光做泵浦，(二次)谐波做探测光，既可以解决重频抖动的问题，同时可自动满足更小探测焦斑的条件，然而在保证焦区重合的前提下，灵活、独立的调节两者焦斑尺寸的比值仍然比较困难。

解决上述技术问题的难度和意义：

综上所述，目前技术存在的问题及困难有：

(1)样品表面和泵浦光的焦面对准的困难。(2)泵浦-探测两光脉冲的焦区在空间重合的困难。(3)自由调节泵浦-探测光相对焦斑大小的困难。本发明通过光束整形技术，对泵浦光实现高斯光束到贝塞尔光束的转变，利用贝塞尔光束的无衍射特性，实现了泵浦光的宽松聚焦对准以及灵活的焦斑大小。针对泵浦-探测两光脉冲的焦区在空间重合的困难，可以通过单独微调探测光一路的偏振分光棱镜和二色镜来解决。这些问题的解决对基于泵浦-探测的研究中减小实验操作难度，提高测量结果精度等均有重要的意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种双光束泵浦-探测的空间不敏感聚焦对准方法及系统。本发明通过引入光束整形系统来扩展泵浦光束的焦深，从而解决传统泵浦-探测系统中对光束的空间聚焦对准过于严苛以及两光束光斑尺寸比值不易独立调节的问题。

本发明是这样实现的，一种双光束泵浦-探测的空间不敏感聚焦对准方法，所述双光束泵浦-探测的空间不敏感聚焦对准方法包括：

通过采用透射式正圆锥镜系统组合缩束4f系统对泵浦光一路单独进行光束整形；通过设计光束整形系统的参数，获得拥有特定尺寸的中心光斑的和扩展焦深的贝塞尔光束；另外探测光可根据需要亦整形为贝塞尔光束。

通过在探测光一路使用一个偏振分光棱镜和λ/4波片进行反馈信号的探测；

通过插入一个45°的二色镜将探测光与泵浦光同轴的耦合进聚焦透镜，进行焦区的空间重合。

进一步，正圆锥镜系统或改用负锥镜以节省空间。

进一步，偏振分光棱镜和λ/4波片用于回收探测信号；在探测器前加装有与探测光波长重合的进一步滤除噪声的窄带滤光片。

进一步，二色镜配合偏振分光棱镜进行角度调节，独立校准探测光方向，实现泵浦光和探测光的最佳同轴和焦点重合。

进一步，光束整形系统的关键参数相互间关系为：

θ₁＝arcsin(n_axi sinα)–α；

θ₂＝arctan(f₁tanθ₁/f₂)；

w₂＝f₁w₁/f₂

d≈2.405/(k sinθ)；

DOF≈w/tanθ；

-其中θ₁为轴棱锥后所产生的贝塞尔光束的半锥角；

-n_axi为轴棱锥的材料折射率；

-α为轴棱锥的底角大小；

-θ₂为经过缩束系统之后的贝塞尔光束的半锥角；

-f₁第一个透镜的焦距，f₂聚焦物镜的焦距，缩束系统的比值为f₁/f₂；

-w₁为入射高斯光束的有效半径，w₂为高斯光束经过缩束系统后的有效半径；

-d为贝塞尔光束的中心光斑半径值(第一零点位置)；

-k为光束的真空波矢量；

-DOF为光束的焦深。

本发明的另一目的在于提供一种泵浦光的光束整形系统包括：

正圆锥镜系统，用来产生松聚焦大光斑尺寸的贝塞尔光束；

缩束的4f系统，用来产生光斑缩小到特定尺寸的紧聚焦贝塞尔光束。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明通过引入光束整形系统来扩展光束的焦深，从而解决传统泵浦-探测系统中对光束的空间聚焦对准过于严苛以及两光束光斑尺寸比值不易独立调节的问题。

本发明通过对泵浦光光束整形得到的高斯-贝塞尔光束可保持光束横截面不变，且焦深可以延伸到很长的范围。例如在泵浦光束直径5mm,波长532nm，采用1度底角圆锥镜,配合使用50倍缩束比的4f系统的情况下，获得的微贝塞尔光束的中心光斑大小(半高全宽)约为0.54微米，焦深DOF约为130微米，而同等中心光斑大小情况下，高斯光束的焦深仅为约3.4微米，对泵浦光光束整形后的焦深是整形前的40倍以上，通过选择合适的系统参数甚至可以将光束焦深扩展至毫米量级，这极大的缓解了泵浦-探测中对光束在样品表面聚焦对准的严苛的调节要求。

本发明可以通过改变轴棱锥底角和缩束系统的缩束比等参数，独立、灵活的调节光束的中心光斑大小，为更好的独立参数研究创造条件。

本发明进一步优化光束的掩膜相位可以抑制贝塞尔光束的旁瓣以及使光束的轴向光强更加平顶化，对提高泵浦-探测的测量精度有重要意义。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的改进的泵浦光的光束整形系统示意图。

图中：1飞秒激光器；2、正透镜；3、倍频晶体；4、正透镜；5、双色镜；6、45°反射镜；7、45°反射镜；8、圆锥镜；9、正透镜；10、双色镜；11、聚焦物镜；12、样品；13、45°反射镜；14、一维运动平台；15、回射器；16、调制器；17、四分之一波片；18、偏振分光棱镜；19、窄带滤光片；20、光电探测器。

图2是本发明实施例二提供的另一种改进的泵浦光的光束整形系统示意图。

图中：1、飞秒激光器；2、正透镜；3、倍频晶体；4、正透镜；5、双色镜；6、45°反射镜；7、45°反射镜；8、双色镜；9、圆锥镜；10、正透镜；11、偏振分光棱镜；12、四分之一波片；13、聚焦物镜；14、样品；15、45°反射镜；16、一维运动平台为调制器；17、回射器；18、调制器；19、45°反射镜；20、窄带滤光片；21、光电探测器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

传统同轴泵浦-探测技术中双光束聚焦的空间对准过于严苛。

本发明实施例提供的双光束泵浦-探测的空间不敏感聚焦对准方法，包括：

1)通过采用透射式正圆锥镜系统组合缩束系统对泵浦光一路单独进行光束整形；通过设计的光束整形系统的参数，获得拥有特定尺寸的中心光斑的和扩展焦深的贝塞尔光束；

2)通过在探测光一路使用一个偏振分光棱镜和λ/4波片进行反馈信号的探测；

3)通过插入一个45°的二色镜将探测光与泵浦光同轴的耦合进光路，进行焦区的空间重合。

1)中，正圆锥镜系统或选用负锥镜；探测光亦可根据需要整形为贝塞尔光束。

2)中，偏振分光棱镜和λ/4波片用于回收探测信号；在探测器前加装有与探测光波长重合的进一步滤除噪声的窄带滤光片。

3)中，二色镜配合偏振分光棱镜进行角度调节，并独立校准探测光方向，进行泵浦光和探测光的最佳同轴和焦点重合。

1)中，光束整形系统的关键参数相互间关系为：

θ₁＝arcsin(n_axi sinα)–α；

θ₂＝arctan(f₁tanθ₁/f₂)；

w₂＝f₁w₁/f₂

d≈2.405/(k sinθ)；

DOF≈w/tanθ；

-其中θ₁为轴棱锥后所产生的贝塞尔光束的半锥角；

-n_axi为轴棱锥的材料折射率；

-α为轴棱锥的底角大小；

-θ₂为经过缩束系统之后的贝塞尔光束的半锥角；

-f₁第一个透镜的焦距，f₂聚焦物镜的焦距，缩束系统的比值为f₁/f₂；

-w₁为入射高斯光束的有效半径，w₂为高斯光束经过缩束系统后的有效半径；

-d为贝塞尔光束的中心光斑半径值(第一零点位置)；

-k为光束的真空波矢量；

-DOF为光束的焦深。

本发明通过光束整形得到的高斯-贝塞尔光束可保持光束横截面不变，且焦深可以延伸到很长的范围(百微米至毫米)，极大的缓解了泵浦-探测中对光束在样品表面聚焦对准的严苛的调节要求。

本发明可以通过改变轴棱锥底角和缩束系统的缩束比等参数，独立、灵活的调节光束的中心光斑大小，为更好的独立参数研究创造条件。

本发明进一步优化光束的掩膜相位可以抑制贝塞尔光束的旁瓣以及使光束的轴向光强更加平顶化，对提高泵浦-探测的测量精度有重要意义。

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

图1是本发明实施例提供的改进的泵浦探测光学系统示意图。

仅对泵浦光实现贝塞尔光束整形。针对泵浦光(红光)使用正圆锥镜系统，产生大光斑尺寸的松聚焦贝塞尔光束，之后利用缩束4f系统产生光斑缩小到特定尺寸的紧聚焦贝塞尔光束；针对探测光(绿光)使用一个偏振分光棱镜和λ/4波片进行反馈信号的探测，通过在聚焦物镜前插入一个45°的二色镜将探测光与泵浦光同轴的耦合进聚焦透镜，实现焦区的空间重合。

图中：1为飞秒激光器；2为正透镜；3为倍频晶体；4为正透镜；5为双色镜；6为45°反射镜；7为45°反射镜；8为圆锥镜；9为正透镜；10为双色镜；11为聚焦物镜；12为样品；13为45°反射镜；14为一维运动平台；15为回射器；16为调制器；17为四分之一波片；18为偏振分光棱镜；19为窄带滤光片；20为光电探测器。

实施例2

图2是本发明实施例提供的另一种改进的泵浦探测光学系统示意图。这里对泵浦光和探测光同时实现贝塞尔光束整形。针对泵浦光(红光)使用正圆锥镜系统，产生大光斑尺寸的松聚焦贝塞尔光束，之后利用缩束4f系统产生光斑缩小到特定尺寸的紧聚焦贝塞尔光束；针对探测光(绿光)使用一个偏振分光棱镜和λ/4波片进行反馈信号的探测，通过在圆锥镜前插入一个45°的二色镜将探测光与泵浦光同轴的耦合进后面的光学整形系统，实现焦区的空间重合。

图中：1为飞秒激光器；2为正透镜；3为倍频晶体；4为正透镜；5为双色镜；6为45°反射镜；7为45°反射镜；8为双色镜；9为圆锥镜；10为正透镜；11为偏振分光棱镜；12为四分之一波片；13为聚焦物镜；14为样品；15为45°反射镜；16为一维运动平台为调制器；17为回射器；18为调制器；19为45°反射镜；20为窄带滤光片；21为光电探测器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种双光束泵浦-探测的空间不敏感聚焦对准方法，其特征在于，所述双光束泵浦-探测的空间不敏感聚焦对准方法包括：

通过采用透射式正圆锥镜系统组合缩束4f系统对泵浦光一路单独进行光束整形；通过设计光束整形系统的参数，获得拥有特定尺寸的中心光斑的和扩展焦深的贝塞尔光束；

通过在探测光一路使用一个偏振分光棱镜和λ/4波片进行反馈信号的探测；

通过插入一个45°的二色镜将探测光与泵浦光同轴的耦合进聚焦透镜，进行焦区的空间重合；

正圆锥镜系统产生松聚焦大光斑尺寸的贝塞尔光束后，利用缩束4f系统产生光斑缩小到特定尺寸的紧聚焦贝塞尔光束；

偏振分光棱镜和λ/4波片用于回收探测信号；在探测器前加装窄带滤光片，用于与探测光波长重合并进一步滤除噪声；

二色镜配合偏振分光棱镜进行角度调节，并独立校准探测光方向，进行泵浦光和探测光的最佳同轴和焦点重合；

光束整形系统的关键参数相互间关系为：

θ₁＝arcsin(n_axi sinα)–α；

θ₂＝arctan(f₁ tanθ₁/f₂)；

w₂＝f₁ w₁/f₂

d≈2.405/(k sinθ)；

DOF≈w/tanθ；

-其中θ₁为圆锥镜后所产生的贝塞尔光束的半锥角；

-n_axi为圆锥镜的材料折射率；

-α为圆锥镜的底角大小；

-θ₂为经过缩束4f系统之后的贝塞尔光束的半锥角；

-f₁缩束4f系统第一个透镜的焦距，f₂缩束4f系统第二个透镜的焦距，缩束4f系统的比值为f₁/f₂；

-w₁为入射高斯光束的有效半径，w₂为高斯光束经过缩束4f系统后的有效半径；参数w为光束半径，参数θ为光束的发散角的半锥角；

-d为贝塞尔光束的中心光斑半径值；

-k为光束的真空波矢量；

-DOF为光束的焦深。

2.一种如权利要求1所述双光束泵浦-探测的空间不敏感聚焦对准方法的光束整形系统，其特征在于，泵浦光的光束整形系统包括：

正圆锥镜系统，用来产生松聚焦大光斑尺寸的贝塞尔光束；

缩束的4f系统，用来产生光斑缩小到特定尺寸的紧聚焦贝塞尔光束。

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