CN109781632B - 一种双光束泵浦探测二维光谱测量系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双光束泵浦探测二维光谱测量系统及其工作方法，包括飞秒激光器、分束镜、延迟系统、斩波器、光谱仪、斩波器控制器、数据采集系统、第一凹面反射镜及第二凹面反射镜；本发明在原有泵浦探测技术的基础之上，将原有的高速光电探测器换成光谱仪，并用斩波器控制器产生斩波器的六倍频信号。通过控制光谱仪的曝光时间，使测量到的信号与调制信号同步。通过数据采集系统的同步存储，规避了调制器的频率不稳定。通过虚拟锁相放大器，对所有像元进行处理，克服了硬件上的不足，完全克服了原有的困难，为时域光谱增添了新的方式。
Description
技术领域
本发明涉及一种双光束泵浦探测二维光谱测量系统及其工作方法，属于时域光谱技术领域，涉及光谱学，激光技术，泵浦探测技术等领域。
背景技术
目前时域光谱技术已经在凝聚态、化学、生物领域有着广泛的应用。在其基本结构即泵浦探测的基础上，改进出了各种应用技术，开创了非常广泛的应用领域。
通常的泵浦探测技术探测器使用的是高速光电探测器，信号处理依靠调制器和锁相放大器，可以得到信号强度与时间延迟的变化曲线。通常的泵浦探测尚不能将强度信号拓展到光谱信号，即从一维到二维，主要受制于以下几点：其一，常见的电荷耦合器件(ccd)探测器不能达到光电探测器响应速度；其二，锁相放大器通道数有限ccd像元得到的信息不可能全都用锁相放大器处理；其三，调制器(斩波器)频率不稳定。
中国专利文献CN 103913439A公开了一种二维分辨扫描成像红外调制光致发光光谱测试装置及方法。该装置包括具有步进扫描功能的傅立叶变换红外光谱仪、作为激发光源的泵浦光系统、用于精确定位的五轴调节与复位控制平台及平行校正系统、联接傅立叶变换红外光谱仪中探测器和电路控制板的锁相放大器和泵浦激光源之间光路上的斩波器。本发明还基于上述设备，提出实现波段覆盖4-20μm宽波段的二维空间分辨与扫描成像红外调制光致发光光光谱测试方法。但是，该专利存在以下缺陷或不足：(1)主要设备有单色仪、锁相放大器，设备价格昂贵；(2)受限于锁相放大器通道数有限，每次仅能进行某个波长的测量，耗时较长。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种双光束泵浦探测二维光谱测量系统；
本发明还提供了上述双光束泵浦探测二维光谱测量系统的工作方法
发明概述：
本发明是在传统泵浦探测技术基础上，提出了一种测量二维光谱的技术手段。目的是通过斩波器控制器将斩波器的调制频率进行六倍频，输出至光谱仪，控制光谱仪的曝光时间，使光谱仪测得的数据与泵浦光的调制信号同步。与此同时，将斩波器的调制信号，光谱仪的触发信号和光谱仪的测量信号一一对应记录存储，进而可以进行数据处理得到样品的动力学信息。
术语解释：
BBO晶体，在非线性光学晶体中，是一种综合优势明显，性能良好的晶体，它有着极宽的透光范围，极低的吸收系数，较弱的压电振铃效应，相对于其他的电光调制晶体，具有更高的消光比，较大的相匹配角，较高的抗光损伤阈值、宽带的温度匹配以及优良的光学均匀性，有利于提高激光输出功率稳定性，特别是用于Nd:YAG激光器之三倍频有着广泛的应用。
本发明的技术方案为：
一种双光束泵浦探测二维光谱测量系统，包括飞秒激光器、分束镜、延迟系统、斩波器、光谱仪、斩波器控制器、数据采集系统、第一凹面反射镜及第二凹面反射镜；
所述飞秒激光器输出飞秒脉冲，飞秒脉冲经过分束镜分为泵浦光与探测光；
泵浦光经所述斩波器调制成带有占空比1：1的调制信号，经所述第一凹面反射镜聚焦于样品表面；所述斩波器控制器将所述斩波器调成的调制信号输出至所述数据采集系统；
探测光正入射进所述延迟系统，经所述延迟系统反射后，沿入射方向相反方向，且平行于入射方向出射，经第二凹面反射镜聚焦于样品表面，反射后的探测光入射进所述光谱仪中；
所述光谱仪接收到探测光，参照所述斩波器控制器发出的控制信号(斩波器控制器简称控制器)，记录并保存探测光及生成的数据(光谱仪具有触发功能，及光谱仪接收到控制器的触发信号后再进行数据采集和保存，一般而言触发信号为方波信号)，并传输至数据采集系统。
根据本发明优选的，所述斩波器通过仪器控制线连接所述斩波器控制器；所述数据采集系统通过第一同轴电缆连接所述斩波器控制器；所述光谱仪通过数据传输线连接所述数据采集系统，所述光谱仪通过第二同轴电缆连接所述斩波器控制器。
根据本发明优选的，所述斩波器控制器将所述斩波器调成的调制信号进行六倍频，得到六倍频信号；所述斩波器控制器将六倍频信号输出至所述光谱仪，控制所述光谱仪的曝光时间。光谱仪的入射口处有类似照相机快门的装置，由于控制光谱仪何时接收信号，而接收信号的时间长度为曝光时间。这所说的控制曝光时间和前文所说的参照控制器发出的控制信号，其目的都是用于控制光谱仪的曝光时间(用方波信号做触发信号)，即控制光谱仪何时接收信号，何时不接收信号。
根据本发明优选的，所述数据采集系统包括模数转换器及计算机，所述模数转换器连接所述计算机；
所述斩波器控制器将未倍频的模拟信号输出至所述模数转换器，所述模数转换器将其转换为数字信号，所述模数转换器将数字信号输出至所述计算机存储；
所述光谱仪将存储的信号输出至所述计算机，当所述光谱仪每进行一次测量都发出一个方波信号，该方波信号也输出至计算机存储，此方波信号应与所述斩波器控制输出的六倍频信号相对应；所述计算机在存储所有数据后，运行虚拟锁相放大器程序对；本发明使用虚拟锁相放大器进行多个数据同时处理。
所述数据采集系统的具体工作过程如下所述：
A、所述斩波器控制器将所述斩波器调成的调制信号输出至所述模数转换器；
B、所述斩波器控制器将所述斩波器调成的调制信号进行六倍频，得到六倍频信号；
C、所述光谱仪接收到探测光，每接收到所述斩波器控制器发出的控制信号，就进行一次测量；
D、所述光谱仪每进行一次测量，所述光谱仪就发出一触发信号；
E、所述计算机根据步骤A产生的调制信号及步骤D产生的触发信号，对光谱仪产生的测量信号进行标记，测量信号中每半个周期产生三个信号，分别标记为信号1、信号2、信号3，删除信号1和信号3，保留信号2；同时，根据斩波器发出的方波信号生成正弦波信号；
F、所述计算机可执行虚拟锁相放大器程序，将步骤E中正弦波信号作为参考信号，将步骤E中保留的信号2作为输入信号，进行计算，得到的光谱强度的差值；包括步骤如下：
①将输入信号与参考信号相乘，得到信号1；
②对信号1做求平均值运算，如式(Ⅰ)所示：
式(Ⅰ)中，a为所得到的信号，X1为信号1，T是积分时间长度，是总点数；
③将参考信号相移90度，与输入信号相乘得到信号2，对信号2做求平均值运算，得到计算后的信号b；
④求取光谱强度的差值R，如式(Ⅱ)所示：
根据本发明优选的，所述飞秒激光器是钛宝石飞秒振荡器，重频为80MHz，平均功率大于2.3W。
根据本发明优选的，所述分束镜分光比为1：4。
根据本发明优选的，所述探测光延时的分辨率为6.67fs，行程为10cm。
上述双光束泵浦探测二维光谱测量系统的工作方法，包括步骤如下：
(1)所述飞秒激光器发射的光束经分束镜分为两束，一束做泵浦光(光强较大)，一束做探测光(光强较小)；
(2)泵浦光依次经过所述斩波器、所述第一凹面反射镜，汇聚到样品表面；
(3)探测光依次经过所述延迟系统、所述第二凹面反射镜，汇聚到泵浦光的位置；
(4)通过所述光谱仪接受将经样品反射后的探测光；
(5)所述位移平台调零(此过程为时域光谱常用方法)：将样品换成一块BBO晶体，移动位移平台，移动到由泵浦光和探测光产生的和频光强度最大处，作为测试起点即零点；
(6)将斩波器频率调制a Hz，a≥1000；
(7)开始测量，位移平台从零点处每经过10s向前移动1μm，再次测量，不断执行此过程直到达到最大行程。
本发明的有益效果为：
本发明在原有泵浦探测技术的基础之上，将原有的高速光电探测器换成光谱仪，并用斩波器控制器产生斩波器的六倍频信号。通过控制光谱仪的曝光时间，使测量到的信号与调制信号同步。通过数据采集系统的同步存储，规避了调制器的频率不稳定。通过虚拟锁相放大器，对所有像元进行处理，克服了硬件上的不足，完全克服了原有的困难，为时域光谱增添了新的方式，成本低，耗费少。本发明将光谱仪测得全光谱数据一起处理，测量完成后仅需一次虚拟锁相放大器运算即可完成，而且所有计算可由计算机完成，操作简单快捷。
附图说明
图1为本发明所述的一种双光束泵浦探测二维光谱测量系统的结构示意图。
图2为本发明所述数据采集系统的结构示意图。
图3为本发明所述数据采集系统的运行过程流程示意图。
1、飞秒激光器，2、分束镜，3、延迟系统，4、斩波器，5、第一凹面反射镜，6、第二凹面反射镜，7、样品，8、光谱仪，9、斩波器控制器，10、数据采集系统，11、仪器控制线，12、第一同轴电缆，13、数据传输线，14、第二同轴电缆，15、模数转换器，16、计算机。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种双光束泵浦探测二维光谱测量系统，如图1所示，包括飞秒激光器1、分束镜2、延迟系统3、斩波器4、光谱仪8、斩波器控制器9、数据采集系统10、第一凹面反射镜5及第二凹面反射镜6；
飞秒激光器1输出飞秒脉冲，飞秒脉冲经过分束镜2分为泵浦光与探测光；泵浦光经斩波器4调制成带有占空比1：1的调制信号，经第一凹面反射镜5聚焦于样品7表面；斩波器控制器9将斩波器4调成的调制信号输出至数据采集系统10；探测光正入射进延迟系统3，经延迟系统3反射后，沿入射方向相反方向，且平行于入射方向出射，经第二凹面反射镜6聚焦于样品7表面，反射后的探测光入射进光谱仪8中；
光谱仪8接收到探测光，参照斩波器控制器9发出的控制信号(斩波器控制器9简称控制器)，记录并保存探测光及生成的数据(光谱仪8具有触发功能，及光谱仪8接收到控制器的触发信号后再进行数据采集和保存，一般而言触发信号为方波信号)，并传输至数据采集系统10。
斩波器4通过仪器控制线11连接斩波器控制器9；数据采集系统10通过第一同轴电缆12连接斩波器控制器9；光谱仪8通过数据传输线13连接数据采集系统10，光谱仪8通过第二同轴电缆14连接斩波器控制器9。
斩波器控制器9将斩波器4调成的调制信号进行六倍频，得到六倍频信号；斩波器控制器9将六倍频信号输出至光谱仪8，控制光谱仪8的曝光时间。光谱仪8的入射口处有类似照相机快门的装置，由于控制光谱仪8何时接收信号，接收信号的时间长度为曝光时间。这所说的控制曝光时间和前文所说的参照控制器发出的控制信号，其目的都是用于控制光谱仪8的曝光时间(用方波信号做触发信号)，即控制光谱仪8何时接收信号，何时不接收信号。
实施例2
根据实施例1所述的一种双光束泵浦探测二维光谱测量系统，其区别在于，
数据采集系统10包括模数转换器15及计算机16，如图2所示，模数转换器15连接计算机16；斩波器控制器9将未倍频的模拟信号输出至模数转换器15，模数转换器15将其转换为数字信号，模数转换器15将数字信号输出至计算机16存储；
光谱仪8将存储的信号输出至计算机16，当光谱仪8每进行一次测量都发出一个方波信号，该方波信号也输出至计算机16存储，此方波信号应与斩波器4控制输出的六倍频信号相对应；计算机16在存储所有数据后，运行虚拟锁相放大器程序对；本发明使用虚拟锁相放大器进行多个数据同时处理。
如图3所示，数据采集系统的具体工作过程如下：
A、斩波器控制器9将斩波器4调成的调制信号输出至模数转换器15；如图3中的a所示，为斩波器输出的半个周期的调制信号；
B、斩波器控制器9将斩波器4调成的调制信号进行六倍频，得到六倍频信号；如图3中的b所示；
C、光谱仪8接收到探测光，每接收到斩波器控制器9发出的控制信号，就进行一次测量；如图3中的c所示；
D、光谱仪8每进行一次测量，光谱仪8就发出一触发信号；如图3中的d所示；
E、计算机16根据步骤A产生的调制信号及步骤D产生的触发信号，对光谱仪8产生的测量信号进行标记，测量信号中每半个周期产生三个信号，依次分别标记为信号1、信号2、信号3，删除信号1和信号3，保留信号2；同时，根据斩波器4发出的方波信号生成正弦波信号；如图3中的e所示；
F、计算机16可执行虚拟锁相放大器程序，将步骤E中正弦波信号作为参考信号，将步骤E中保留的信号2作为输入信号，进行计算，得到的光谱强度的差值；包括步骤如下：
①将输入信号与参考信号相乘，得到信号1；
②对信号1做求平均值运算，如式(Ⅰ)所示：
式(Ⅰ)中，a为所得到的信号，X1为信号1，T是积分时间长度，是总点数；
③将参考信号相移90度，与输入信号相乘得到信号2，对信号2做求平均值运算，得到计算后的信号b；
④求取光谱强度的差值R，如式(Ⅱ)所示：
飞秒激光器1是钛宝石飞秒振荡器，重频为80MHz，平均功率大于2.3W。分束镜2分光比为1：4。探测光延时的分辨率为6.67fs，行程为10cm。
实施例3
实施例1或2所述的一种双光束泵浦探测二维光谱测量系统的工作方法，包括步骤如下：
(1)飞秒激光器1发射的光束经分束镜2分为两束，一束做泵浦光(光强较大)，一束做探测光(光强较小)；
(2)泵浦光依次经过斩波器4、第一凹面反射镜5，汇聚到样品7表面；
(3)探测光依次经过延迟系统3、第二凹面反射镜6，汇聚到泵浦光的位置；
(4)通过光谱仪8接受将经样品7反射后的探测光；
(5)位移平台调零(此过程为时域光谱常用方法)：将样品7换成一块BBO晶体，移动位移平台，移动到由泵浦光和探测光产生的和频光强度最大处，作为测试起点即零点；
(6)将斩波器4频率调制a Hz，a≥1000；
(7)开始测量，位移平台从零点处每经过10s向前移动1μm，再次测量，不断执行此过程直到达到最大行程。
Claims (8)
1.一种双光束泵浦探测二维光谱测量系统，其特征在于，包括飞秒激光器、分束镜、延迟系统、斩波器、光谱仪、斩波器控制器、数据采集系统、第一凹面反射镜及第二凹面反射镜；
所述飞秒激光器输出飞秒脉冲，飞秒脉冲经过分束镜分为泵浦光与探测光；
泵浦光经所述斩波器调制成带有占空比1：1的调制信号，经所述第一凹面反射镜聚焦于样品表面；所述斩波器控制器将所述斩波器调成的调制信号输出至所述数据采集系统；
探测光正入射进所述延迟系统，经所述延迟系统反射后，沿入射方向相反方向，且平行于入射方向出射，经第二凹面反射镜聚焦于样品表面，反射后的探测光入射进所述光谱仪中；
所述光谱仪接收到探测光，参照所述斩波器控制器发出的控制信号，记录并保存探测光及生成的数据，并传输至数据采集系统；
所述数据采集系统包括模数转换器及计算机，所述模数转换器连接所述计算机；
所述斩波器控制器将未倍频的模拟信号输出至所述模数转换器，所述模数转换器将其转换为数字信号，所述模数转换器将数字信号输出至所述计算机存储；
所述光谱仪将存储的信号输出至所述计算机，当所述光谱仪每进行一次测量都发出一个方波信号，该方波信号也输出至计算机存储，此方波信号应与所述斩波器控制输出的六倍频信号相对应；所述计算机在存储所有数据后，运行虚拟锁相放大器程序。
2.根据权利要求1所述的一种双光束泵浦探测二维光谱测量系统，其特征在于，所述斩波器通过仪器控制线连接所述斩波器控制器；所述数据采集系统通过第一同轴电缆连接所述斩波器控制器；所述光谱仪通过数据传输线连接所述数据采集系统，所述光谱仪通过第二同轴电缆连接所述斩波器控制器。
3.根据权利要求1所述的一种双光束泵浦探测二维光谱测量系统，其特征在于，所述斩波器控制器将所述斩波器调成的调制信号进行六倍频，得到六倍频信号；所述斩波器控制器将六倍频信号输出至所述光谱仪，控制所述光谱仪的曝光时间。
4.根据权利要求1所述的一种双光束泵浦探测二维光谱测量系统，其特征在于，所述数据采集系统的工作过程如下：
A、所述斩波器控制器将所述斩波器调成的调制信号输出至所述模数转换器；
B、所述斩波器控制器将所述斩波器调成的调制信号进行六倍频，得到六倍频信号；
C、所述光谱仪接收到探测光，每接收到所述斩波器控制器发出的控制信号，就进行一次测量；
D、所述光谱仪每进行一次测量，所述光谱仪就发出一触发信号；
E、所述计算机根据步骤A产生的调制信号及步骤D产生的触发信号，对光谱仪产生的测量信号进行标记，测量信号中每半个周期产生三个信号，分别标记为信号1、信号2、信号3，删除信号1和信号3，保留信号2；同时，根据斩波器发出的方波信号生成正弦波信号；
F、所述计算机将步骤E中正弦波信号作为参考信号，将步骤E中保留的信号2作为输入信号，进行计算，得到的光谱强度的差值；包括步骤如下：
①将输入信号与参考信号相乘，得到信号1；
②对信号1做求平均值运算，如式(Ⅰ)所示：
式(Ⅰ)中，a为所得到的信号，X1为信号1，T是积分时间长度，是总点数；
③将参考信号相移90度，与输入信号相乘得到信号2，对信号2做求平均值运算，得到计算后的信号b；
④求取光谱强度的差值R，如式(Ⅱ)所示：
5.根据权利要求1所述的一种双光束泵浦探测二维光谱测量系统，其特征在于，所述飞秒激光器是钛宝石飞秒振荡器，重频为80MHz，平均功率大于2.3W。
6.根据权利要求1所述的一种双光束泵浦探测二维光谱测量系统，其特征在于，所述分束镜分光比为1：4。
7.根据权利要求1所述的一种双光束泵浦探测二维光谱测量系统，其特征在于，所述探测光延时的分辨率为6.67fs，行程为10cm。
8.权利要求1-7任一所述的双光束泵浦探测二维光谱测量系统的工作方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)所述飞秒激光器发射的光束经分束镜分为两束，一束做泵浦光，一束做探测光；
(2)泵浦光依次经过所述斩波器、所述第一凹面反射镜，汇聚到样品表面；
(3)探测光依次经过所述延迟系统、所述第二凹面反射镜，汇聚到泵浦光的位置；
(4)通过所述光谱仪接受将经样品反射后的探测光；
(5)位移平台调零：将样品换成一块BBO晶体，移动位移平台，移动到由泵浦光和探测光产生的和频光强度最大处，作为测试起点即零点；
(6)将斩波器频率调制a Hz，a≥1000；
(7)开始测量，位移平台从零点处每经过10s向前移动1μm，再次测量，不断执行此过程直到达到最大行程。
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