CN110596073B - 一种全反射式飞秒受激拉曼光谱仪 - Google Patents

一种全反射式飞秒受激拉曼光谱仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全反射式飞秒受激拉曼光谱仪，包括光源模块、两个分束镜、两套光学延迟线、反射镜组、凹面镜、光阑、光谱滤波模块和第一光谱仪。所述光源模块产生的飞秒脉冲激光经过第一分束镜后分为两束激光，反射光束作为激发泵浦光并依次经第一至第三反射镜、第一光学延迟线、第四至第七反射镜、凹面镜后聚焦到样品上；透射光束经过第二分束镜后反射，作为探测光并依次经过第八至第十一反射镜、第七反射镜凹面镜后聚焦到样品上，其透射光通过光阑后由第一光谱仪采集；第二束激光经过第二分束镜后发生透射作为拉曼泵浦光，依次经过第十二至第十四反射镜、光谱滤波模块、第二光学延迟线、第十五、第十六、第七反射镜、凹面镜后聚焦到样品上。

Description

一种全反射式飞秒受激拉曼光谱仪
技术领域
本发明涉及光谱仪技术领域，尤其涉及一种全反射式飞秒受激拉曼光谱仪。
背景技术
飞秒受激拉曼光谱(FSRS)仪是一种重要的科学仪器，广泛应用于物理、化学、生物、材料和医学等领域。其涉及的具体研究方向包括化学反应动力学、激发态弛豫、晶格弛豫动力学、电荷转移以及载流子复合等。飞秒受激拉曼光谱仪在实验光路上非常类似于传统瞬态吸收光谱，但具有时间分辨振动光谱学的优势。受激拉曼光谱仪不仅可以获得传统瞬态吸收光谱仪采集的相关信息，还可以提供额外的材料微观晶格及分子结构变化的动力学过程。另外，其超高光谱分辨率还可以提供瞬态吸收光谱无法分辨的一些叠加态和暗态，即使样品本身有较强的荧光FSRS仍能提供较高的信噪比。随着商用飞秒脉冲激光器输出功率的提高和脉冲宽度的减小，亚10飞秒高功率脉冲激光已经逐渐在实验内普及，但目前商用的瞬态吸收和受激拉曼装置还停留在适应100飞秒或更低时间分辨的光谱学测试阶段。现有商用飞秒受激拉曼光谱仪普遍采用透射型元件实现光束的聚焦，考虑到透镜对超短激光脉宽的影响，显然不适合与亚10飞秒高功率脉冲激光联用而实现亚10fs(飞秒)超高时间分辨率。
因此，现有技术需要进一步改进和完善。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种全反射式飞秒受激拉曼光谱仪，以解决现有飞秒受激拉曼光谱仪的透射式聚焦对超短脉冲宽度的影响，适用于超快几周期激光光源，以实现亚10fs超高时间分辨率。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种全反射式飞秒受激拉曼光谱仪，该拉曼光谱仪主要包括光源模块、两个分束镜、两套光学延迟线、反射镜组、凹面镜、光阑、光谱滤波模块、以及第一光谱仪。两个所述分束镜分别为第一分束镜和第二分束镜。两套所述光学延迟线分别为第一光学延迟线和第二光学延迟线。所述反射镜组由十六个反射镜组成，分别为第一反射镜至第十六反射镜。
具体的，所述光源模块产生的飞秒脉冲激光经过第一分束镜后分为两束激光，第一束激光为反射光束，该光束作为激发泵浦光并依次经第一反射镜至第三反射镜、第一光学延迟线、第四反射镜至第七反射镜、以及凹面镜后聚焦到样品上。
具体的，第二束激光为第一分束镜的透射光束，该光束经过第二分束镜后反射，作为探测光并依次经过第八反射镜至第十一反射镜、第七反射镜、以及凹面镜后聚焦到样品上。所述光阑位于样品后侧，其透射光通过光阑后由第一光谱仪采集。
具体的，第二束激光经过第二分束镜后的透射光束作为拉曼泵浦光并依次经过第十二反射镜至第十四反射镜、光谱滤波模块、第二光学延迟线、第十五反射镜、第十六反射镜、第七反射镜、以及凹面镜后聚焦到样品上。
进一步的，所述探测光的光路上还设有第三分束镜和第二光谱仪。所述第三分束镜位于第九反射镜与第十反射镜之间，探测光经过第三分束镜后发生反射和透射，反射的激光作为参考光进入第二光谱仪后被采集，透射后的激光沿原路径到达第十反射镜。
进一步的，所述激发泵浦光的光路上还设有色散补偿片和第一斩波器。所述色散补偿片和第一斩波器设置在第一光学延迟线与第四反射镜之间，其材质与第一分束镜相同，厚度为第一分束镜的
Figure BDA0002165165460000021
倍，用于补偿激发泵浦光和探测光之间的光程及色散差，激发泵浦光从第一光学延迟线射出后依次经过色散补偿片和第一斩波器后到达第四反射镜。
进一步的，所述激发泵浦光的光路上还设有第一半波片和第一偏振片，用于调节泵浦光的强度和偏振。所述第一半波片和第一偏振片设置在第四反射镜与第五反射镜之间，使激发泵浦光从第四反射镜射出后依次经过第一半波片和第一偏振片后到达第五反射镜。
进一步的，所述探测光的光路上还设有第二半波片和第二偏振片，用于调节探测光的强度和偏振。所述第二半波片和第二偏振片设置在第八反射镜与第九反射镜之间，使探测光从第八反射镜射出后依次经过第二半波片和偏振片后到达第九反射镜。
进一步的，所述拉曼泵浦光的光路上还设有第二斩波器。所述第二斩波器位于第十五反射镜与第十六反射镜之间，使拉曼泵浦光从第十五反射镜射出后经第二斩波器后到达第十六反射镜。
作为本发明的优选方案，所述光源模块为飞秒脉冲激光，用于产生超短飞秒激光光束，可采用35fs式飞秒激光器或100fs式飞秒激光器或亚10fs中空光纤展宽压缩系统或几周期光纤激光器。
作为本发明的优选方案，所述色散补偿片用于补偿激发泵浦光与探测光的光程及色散差。
作为本发明的优选方案，所述光谱滤波模块用于提供实验所需波长的窄带拉曼泵浦光，可采用窄带滤波片或光谱滤波器代替。
本发明的工作过程和原理是：本发明一种全反射式飞秒受激拉曼光谱仪，通过采用全反射方式对激光进行聚焦，最大程度减小色散效应，适用于亚10fs超快脉冲光源。该光谱仪基于三脉冲“泵浦一探测”技术，将一束用于激发样品的激发泵浦脉冲(actinicpulse)，一束用于探测的飞秒拉曼探测脉冲(probe pulse，通常为超宽带白光)，以及一束具有超窄谱线宽度(～1nm)用于诱发样品中拉曼散射的拉曼泵浦脉冲(Raman pulse)，三者共同作用于样品上产生基态、激发态的受激拉曼信号；在测量过程中探测脉冲和拉曼泵浦脉冲时间上始终保持同步，通过调节泵浦脉冲与它们的相对时间延迟来获得研究体系的动态结构变化信息。同时也可以提取瞬态吸收光谱信号。将上述拉曼泵浦脉冲光挡住，只保留前两束光(泵浦和探测)即转换为传统瞬态吸收光谱仪模式。本发明还具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。
与现有技术相比，本发明所提供的全反射式飞秒受激拉曼光谱仪采用全反射式光路设计，最大程度避免透射式光学元件引起的光学色散，与亚10fs超快脉冲激光光源配合使用，可实现超高时间分辨率及激发泵浦和拉曼泵浦波长及谱宽连续可调。本发明所提供的全反射式飞秒受激拉曼光谱仪采用全反射式光路，消除了传统商用瞬态吸收光谱仪透射式聚焦无法与亚10fs超短脉宽激光光源联用实现超快时间分辨率的问题。
附图说明
图1是本发明所提供的全反射式飞秒受激拉曼光谱仪的结构示意图。
上述附图中的标号说明：
BS1至BS3：第一分束镜至第三分束镜，DL1和DL2：第一光学延迟线和第二光学延迟线，D1和D2：第一光谱仪和第二光谱仪，M1至M16：第一反射镜至第十六反射镜，CM：凹面镜，F1-光谱滤波模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开了一种全反射式飞秒受激拉曼光谱仪，该拉曼光谱仪主要包括光源模块、两个分束镜、两套光学延迟线、反射镜组、凹面镜CM、光阑、光谱滤波模块F1、以及第一光谱仪D1。两个所述分束镜分别为第一分束镜BS1和第二分束镜BS2。两套所述光学延迟线分别为第一光学延迟线DL1和第二光学延迟线DL2。所述反射镜组由十六个反射镜组成，分别为第一反射镜M1至第十六反射镜M16。
具体的，所述光源模块产生的飞秒脉冲激光经过第一分束镜BS1后分为两束激光，第一束激光为反射光束，该光束作为激发泵浦光并依次经第一反射镜M1至第三反射镜M3、第一光学延迟线DL1、第四反射镜M4至第七反射镜M7、以及凹面镜CM后聚焦到样品上。
具体的，第二束激光为第一分束镜BS1的透射光束，该光束经过第二分束镜BS2后反射，作为探测光并依次经过第八反射镜M8至第十一反射镜M11、第七反射镜M7、以及凹面镜CM后聚焦到样品上。所述光阑位于样品后侧，用于阻挡激发泵浦光和拉曼泵浦光，只让探测光通过，后由第一光谱仪D1采集。
具体的，第二束激光经过第二分束镜BS2后发生透射并形成第三束激光。该光束作为拉曼泵浦光并依次经过第十二反射镜M12至第十四反射镜M14、光谱滤波模块F1、第二光学延迟线DL2、第十五反射镜M15、第十六反射镜M16、第七反射镜M7、以及凹面镜CM后聚焦到样品上。
进一步的，所述探测光的光路上还设有第三分束镜BS3和第二光谱仪D2。所述第三分束镜BS3位于第九反射镜M9与第十反射镜M10之间，探测光经过第三分束镜BS3后发生反射和透射，反射后的激光作为参考光进入第二光谱仪D2后被采集，透射后的激光沿原路径到达第十反射镜M10。
进一步的，所述激发泵浦光的光路上还设有色散补偿片和第一斩波器。所述色散补偿片和第一斩波器设置在第一光学延迟线DL1与第四反射镜M4之间，使激发泵浦光从第一光学延迟线DL1射出后依次经过色散补偿片和第一斩波器后到达第四反射镜M4。
进一步的，所述激发泵浦光的光路上还设有第一半波片和第一偏振片。所述第一半波片和第一偏振片设置在第四反射镜M4与第五反射镜M5之间，使激发泵浦光从第四反射镜M4射出后依次经过第一半波片和第一偏振片后到达第五反射镜M5。
进一步的，所述探测光的光路上还设有第二半波片和第二偏振片。所述第二半波片和第二偏振片设置在第八反射镜M8与第九反射镜M9之间，使探测光从第八反射镜M8射出后依次经过第二半波片和偏振片后到达第九反射镜M9。
进一步的，所述拉曼泵浦光的光路上还设有第二斩波器。所述第二斩波器位于第十五反射镜M15与第十六反射镜M16之间，使拉曼泵浦光从第十五反射镜M15射出后经第二斩波器后到达第十六反射镜M16。
作为本发明的优选方案，所述光源模块为飞秒脉冲激光，用于产生超短飞秒激光光束，可采用35fs式飞秒激光器或100fs式飞秒激光器或亚10fs中空光纤展宽压缩系统或几周期光纤激光器。
作为本发明的优选方案，所述色散补偿片用于补偿激发泵浦光与探测光的光程及色散差。
作为本发明的优选方案，所述光谱滤波模块F1用于提供实验所需波长的窄带拉曼泵浦光，可采用窄带滤波片或光谱滤波器代替。
本发明的工作过程和原理是：本发明一种全反射式飞秒受激拉曼光谱仪，通过采用全反射方式对激光进行聚焦，最大程度减小色散效应，适用于亚10fs超快脉冲光源。该光谱仪基于三脉冲“泵浦一探测”技术，将一束用于激发样品的激发泵浦脉冲(actinicpulse)，一束用于探测的飞秒拉曼探测脉冲(probe pulse，通常为超宽带白光)，以及一束具有超窄谱线宽度(～1nm)用于诱发样品中拉曼散射的拉曼泵浦脉冲(Raman pulse)，三者共同作用于样品上产生基态、激发态的受激拉曼信号；在测量过程中探测脉冲和拉曼泵浦脉冲时间上始终保持同步，通过调节泵浦脉冲与它们的相对时间延迟来获得研究体系的动态结构变化信息。同时也可以提取瞬态吸收光谱信号。将上述拉曼泵浦脉冲光挡住，只保留前两束光(泵浦和探测)即转换为传统瞬态吸收光谱仪模式。本发明还具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。
需要说明的是，本发明所涉及的飞秒激光器、斩波器、光谱仪、光谱滤波模块F1等都属于已有技术并且有多种形式的应用，在此不对其细部特征作进一步描述。此外，实施例中所描述的具体部件实际在组成，构造和使用的某些细节上会有所变化，包括部件的组合和组配，这些变形和应用都应当属于本发明的范围。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种全反射式飞秒受激拉曼光谱仪，其特征在于，包括光源模块、两个分束镜、两套光学延迟线、反射镜组、凹面镜、光阑、光谱滤波模块、以及第一光谱仪；两个所述分束镜分别为第一分束镜和第二分束镜；两套所述光学延迟线分别为第一光学延迟线和第二光学延迟线；所述反射镜组由十六个反射镜组成，分别为第一反射镜至第十六反射镜；
所述光源模块产生的飞秒脉冲激光经过第一分束镜后分为两束激光，第一束激光为反射光束，该光束作为激发泵浦光并依次经第一反射镜至第三反射镜、第一光学延迟线、第四反射镜至第七反射镜、以及凹面镜后聚焦到样品上；
第二束激光为第一分束镜的透射光束，该光束经过第二分束镜后反射，作为探测光并依次经过第八反射镜至第十一反射镜、第七反射镜、以及凹面镜后聚焦到样品上，所述光阑位于样品后侧，其透射光通过光阑后由第一光谱仪采集；
第二束激光经过第二分束镜后透射光束作为拉曼泵浦光并依次经过第十二反射镜至第十四反射镜、光谱滤波模块、第二光学延迟线、第十五反射镜、第十六反射镜、第七反射镜、以及凹面镜后聚焦到样品上；
所述激发泵浦光的光路上还设有色散补偿片和第一斩波器；所述色散补偿片和第一斩波器设置在第一光学延迟线与第四反射镜之间，其材质与第一分束镜相同，厚度为第一分束镜的
Figure FDA0003460269820000011
倍，用于补偿激发泵浦光和探测光之间的光程及色散差，激发泵浦光从第一光学延迟线射出后依次经过色散补偿片和第一斩波器后到达第四反射镜。
2.根据权利要求1所述的全反射式飞秒受激拉曼光谱仪，其特征在于，所述探测光的光路上还设有第三分束镜和第二光谱仪；所述第三分束镜位于第九反射镜与第十反射镜之间，探测光经过第三分束镜后发生反射和透射，反射的激光作为参考光进入第二光谱仪后被采集，透射的激光沿原路径到达第十反射镜。
3.根据权利要求1所述的全反射式飞秒受激拉曼光谱仪，其特征在于，所述激发泵浦光的光路上还设有第一半波片和第一偏振片，用于调节泵浦光的强度和偏振；所述第一半波片和第一偏振片设置在第四反射镜与第五反射镜之间，使激发泵浦光从第四反射镜射出后依次经过第一半波片和第一偏振片后到达第五反射镜。
4.根据权利要求1所述的全反射式飞秒受激拉曼光谱仪，其特征在于，所述探测光的光路上还设有第二半波片和第二偏振片，用于调节探测光的强度和偏振；所述第二半波片和第二偏振片设置在第八反射镜与第九反射镜之间，使探测光从第八反射镜射出后依次经过第二半波片和偏振片后到达第九反射镜。
5.根据权利要求1所述的全反射式飞秒受激拉曼光谱仪，其特征在于，所述拉曼泵浦光的光路上还设有第二斩波器；所述第二斩波器位于第十五反射镜与第十六反射镜之间，使拉曼泵浦光从第十五反射镜射出后经第二斩波器后到达第十六反射镜。
6.根据权利要求1所述的全反射式飞秒受激拉曼光谱仪，其特征在于，所述光源模块为飞秒脉冲激光，用于产生超短飞秒激光光束，可采用35fs式飞秒激光器或100fs式飞秒激光器或亚10fs中空光纤展宽压缩系统或几周期光纤激光器。
7.根据权利要求1所述的全反射式飞秒受激拉曼光谱仪，其特征在于，所述光谱滤波模块用于提供实验所需波长的窄带拉曼泵浦光，可采用窄带滤波片或光谱滤波器代替。
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