CN111638192B - 一种基于超连续谱光源的可调谐泵浦-探测系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于超连续谱光源的可调谐泵浦‑探测系统，包括飞秒光纤激光与激光分束装置、超连续谱光源与波长滤波装置、样品与探测接收装置、时间延时装置、锁相放大与数据采集装置；飞秒光纤激光与激光分束装置将激光分为两束；一束光作为泵浦光，另一束光入射高非线性光纤而产生的非线性效应产生超连续谱、并且波长从可见光波段至近红外波段可调谐，并且与波长、带宽可调谐滤波器结合获得波长可调谐的探测光；泵浦光与探测光通过时间延时装置后，入射到样品的同一位置；样品在泵浦光照射下产生非线性光电响应，对经过其中的探测光形成调制；探测光经滤波后，由数据接收装置接收。

Description

一种基于超连续谱光源的可调谐泵浦-探测系统
技术领域
本发明涉及泵浦-探测系统，具体涉及一种基于超连续谱光源的可调谐泵浦-探测系统，属于超快光谱探测领域。
背景技术
超快激光以其脉冲持续时间非常短的特点为人们提供了高达10-15秒时间分辨率的光学探针，从而产生了用来研究物质激发态能级以及超快动力学过程等方面的超快激光泵浦-探测技术。在泵浦-探测技术中，超快激光器的输出被分束镜分为两束。一束为泵浦光，另一束通过波长变换装置获得波长可调的探测光。泵浦、探测脉冲激光的重复频率一致。泵浦、探测激光之间通过时间延时平台，让两束激光在空间走行不同距离。因此，两束脉冲能够先后到达被测样品表面。先到达的脉冲光被称为“泵浦光”，它的作用是激发样品的非平衡过程。后到达的脉冲光被称为“探测光”，能够定格下此时样品的载流子动力学状态。泵浦光与探测光作用在材料上相同的区域，泵浦光的光强较强。当强泵浦光入射到待测样品上时，样品在强光照射下产生非线性光学响应，材料的性质发生改变，因此能够对经过其中的探测光形成调制。通过调节泵浦光和探测光的光程差，在不同延迟时间下测量经过样品的探测光特征(例如透过率、反射率、偏振态，谐波等)，即可研究该材料的非线性动力学过程。
传统的泵浦-探测技术通常使用高功率的钛宝石激光器及光学参量放大器获得高功率的泵浦光和波长可以调节的探测光。高功率的钛宝石激光器对运行环境要求较高、无法在普通的实验环境中稳定运行。此外，钛宝石激光器及参量放大器的体积相对较大、装置复杂、成本代价较高，进一步限制了其在泵浦探测应用中的使用范围。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明目的是，提供一种基于超连续谱光源的可调谐泵浦-探测系统。该系统包括泵浦光以及可调谐的探测光，其中探测光的可调谐性基于超连续谱光源以及可调谐滤波器的组合而获得。其中超连续谱光源通过光纤的高非线性效应来获得。
本发明的技术方案是，一种基于超连续谱光源的可调谐泵浦-探测系统，包括飞秒光纤激光与激光分束装置、超连续谱光源与波长滤波装置、样品与探测接收装置、时间延时装置、锁相放大与数据采集装置；飞秒光纤激光与激光分束装置将激光分为两束；一束光作为泵浦光，另一束光入射高非线性光纤而产生的非线性效应产生超连续谱(超连续谱光源)、并且与波长、带宽可调谐滤波器结合获得波长可调谐的探测光；泵浦光与探测光通过时间延时装置后，入射到样品的同一位置；样品在泵浦光照射下产生非线性光电响应，对经过其中的探测光形成调制；探测光经滤波后，由数据接收装置接收；经数据采集装置与锁相放大。
样品在泵浦光照射下产生非线性光学响应，材料的性质由非线性光学的施加发生改变而被探测，对经过其中的探测光形成调制。又经滤波器，仅保留探测光，被数据接收装置接收。实现基于超连续谱光源的可调谐泵浦探测。
所述的飞秒光纤激光与激光分束装置中，飞秒光纤激光提供瓦级功率、脉冲宽度为飞秒量级的超短脉冲输出。飞秒光纤激光(超短脉冲激光)由分束器分束，一路作为泵浦光，另一路用于产生波长可调谐的探测光。
经分束器反射的光为泵浦光，经分束器透射的光为探测光。
所述的超连续谱光源与波长滤波装置中，飞秒光纤激光倍频后的光经透镜聚焦，空间耦合至高非线性光纤中。利用该光纤的非线性效应获得光谱平坦的超连续谱。超连续谱经透镜准直，通过调节可调滤波器的带宽以及中心波长，获得系统所需的探测光。
所述的样品与探测接收装置中，探测器根据可调谐滤波器滤波带宽范围，可以选择光电探测器或光谱仪。
所述的时间延时装置为两个平面反射镜构成的光学延时线。泵浦光通过延时线可精密调节相对于探测光达到样品的时间。
所述的锁相放大与数据采集装置由光学斩波器、锁相放大器与数据接收装置组成。斩波器的作用为调制泵浦光信号，斩波器的调制信号作为锁相放大器的参考信号，探测器信号作为锁相放大器的输入信号，锁相放大器的输出被连接至数据接收装置。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明装置简单，成本低，实现性强，具有可调谐性；相对于传统的泵浦-探测技术来说，对运行环境要求较低，且成本较低，可实现波长灵活可调谐性，在超快泵浦-探测光谱领域有很大的应用前景。探测时样品在泵浦光照射下产生非线性光学响应，样品材料的性质由非线性光学的施加发生改变而被探测，对经过其中的探测光形成调制。又经滤波器，仅保留探测光，被数据接收装置接收。实现基于超连续谱光源的可调谐泵浦探测系统。本发明装置简单，成本低，实现性强，具有可调谐性，在超快泵浦-探测光谱领域有很大的应用前景。
附图说明
图1为基于超连续谱光源的可调谐泵浦-探测系统组成示意图。
图2为基于超连续谱光源的可调谐泵浦-探测系统实施例的装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
所述的基于超连续谱光源的可调谐泵浦-探测系统，如图1所示。该系统由飞秒光纤激光与激光分束装置1、超连续谱光源与波长滤波装置2、样品与探测接收装置3、时间延时装置4、锁像放大与数据采集装置5组成。该泵浦-探测系统的实现过程为：飞秒光纤激光器通过分束器被分为两束。一部分光作为泵浦光路，另一部分光产生超连续谱并与滤波器结合获得波长可调谐的探测光。
所述的飞秒光纤激光提供瓦级功率、脉冲宽度为飞秒量级的超短脉冲输出。超短脉冲激光由分束器分束，一路作为泵浦光，另一路用于产生波长可调谐的探测光。
所述的探测路波长可调谐探测光由飞秒光纤激光产生的超连续谱与滤波调谐系统获得。飞秒光纤激光倍频后的光经透镜6聚焦，空间耦合至高非线性光纤7中。利用该光纤的非线性效应获得光谱平坦的超连续谱。超连续谱经透镜8准直，通过调节可调滤波器9的带宽以及中心波长，获得系统所需的探测光。
所述的时间延时装置为两个平面反射镜构成的光学延时线。泵浦光通过延时线微米级精密调节，可在皮秒量级调节相对于探测光达到样品的时间。
所述的锁相放大与数据采集装置由光学斩波器、探测器与锁相放大器组成。斩波器的作用为调制泵浦光信号，斩波器的调制信号作为锁相放大器的参考信号，探测器信号作为锁相放大器的输入信号，锁相放大器的输出被连接至数据接收装置。
如图2所示，本实施例中，该系统由平均功率为3W，脉冲宽度50fs，1550nm超短脉冲光纤激光器14提供飞秒脉冲，经聚焦透镜15，入射至铌酸锂光学晶体16，由铌酸锂光学晶体倍频为波长780nm的飞秒激光，经准直透镜17准直，入射到薄膜分束器18上，再由9:1薄膜分束器分为两路光，90％的反射部分为泵浦光，10％的透射部分为探测光，使得两路光的光斑落到样品10同一位置，实施例中泵浦光照射在样品上的光斑面积要比探测光在样品上的光斑面积大，以保证被探测区域的粒子被激发到激发态经滤波器11后，仅存探测光被光电探测器12或光谱仪12接收，作为锁相放大器24的输入信号，锁相放大器的输出信号连接到计算机23中。
泵浦光经平面反射镜20反射后，通过由平面反射镜平行放置构成的光学延时线21，泵浦光通过延时线可精密调节相对于探测光达到样品的时间。再经由光学斩波器22对泵浦光的重复频率进行调制，经平面反射镜13入射到样品上。光学斩波器调制频率的电信号作为锁相放大器的参考信号，光电探测器将接收到探测光的光信号转化为电信号作为锁相放大器的输入信号。根据锁相放大器的工作原理，只有与参考信号频率相同的输入信号才能被锁相放大器探测到并被放大输出至计算机，在实验中参考信号的频率是经过光学斩波器调制后的泵浦光作用于样品的重复频率，那么锁相放大器输出的信号强度则可以反映出由于泵浦光作用于样品而引起的样品内材料性质，如透过率、偏振态等对探测光的响应程度。锁相放大器通过这种工作方式可以把微小的响应变化量从比较强的噪声中提取出来，随着延迟时间的改变，就可以得到样品在某个波长位置处的动力学过程。
探测光经780nm滤波器19获得780nm波长的光，经透镜6聚焦，空间耦合入高非线性光纤7的纤芯中，利用该光纤的非线性效应得到一段光谱宽度较宽，且较平坦的超连续谱。经透镜8准直，通过可调谐滤波器9获得单一波长的探测光，入射到样品同一位置，通过光电探测器接收；亦可通过可调谐滤波器获得宽带光谱，谱宽由滤波器的带宽决定，再通过光谱仪接收，可对比不同探测波长下材料特性。
通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种基于超连续谱光源的可调谐泵浦-探测系统，其特征是，包括飞秒光纤激光与激光分束装置、超连续谱光源与波长滤波装置、样品与探测接收装置、时间延时装置、锁相放大与数据采集装置；飞秒光纤激光与激光分束装置将激光分为两束；一束光作为泵浦光，另一束光入射高非线性光纤而产生的非线性效应产生超连续谱、并且波长从可见光波段至近红外波段可调谐，并且与波长、带宽可调谐滤波器结合获得波长可调谐的探测光；泵浦光通过时间延时装置后，入射到样品的同一位置；样品在泵浦光照射下产生非线性光电响应，对经过其中的探测光形成调制；探测光经滤波后，由数据接收装置接收。
2.根据权利要求1所述的基于超连续谱光源的可调谐泵浦-探测系统，其特征是，所述的飞秒光纤激光与激光分束装置中，飞秒光纤激光提供瓦级功率、脉冲宽度为飞秒量级的超短脉冲输出；飞秒光纤激光由分束器分束，一路作为泵浦光，另一路用于产生波长可调谐的探测光。
3.根据权利要求2所述的基于超连续谱光源的可调谐泵浦-探测系统，其特征是，经分束器反射的光为泵浦光，经分束器透射的光为探测光。
4.根据权利要求1所述的基于超连续谱光源的可调谐泵浦-探测系统，其特征是，所述的超连续谱光源与波长滤波装置中，飞秒光纤激光倍频后的光经透镜聚焦，空间耦合至高非线性光纤中；利用该光纤的非线性效应获得光谱平坦的超连续谱；超连续谱经透镜准直，通过调节可调滤波器的带宽以及中心波长，获得系统所需的探测光。
5.根据权利要求1所述的基于超连续谱光源的可调谐泵浦-探测系统，其特征是，所述的样品与探测接收装置中，探测器根据可调谐滤波器滤波带宽范围，选择光电探测器或光谱仪。
6.根据权利要求1所述的基于超连续谱光源的可调谐泵浦-探测系统，其特征是，所述的时间延时装置为两个平面反射镜构成的光学延时线；泵浦光通过延时线可精密调节相对于探测光达到样品的时间。
7.根据权利要求1所述的基于超连续谱光源的可调谐泵浦-探测系统，其特征是，所述的锁相放大与数据采集装置由光学斩波器、锁相放大器与数据接收装置组成；斩波器的作用为调制泵浦光信号，斩波器的调制信号作为锁相放大器的参考信号，探测器信号作为锁相放大器的输入信号，锁相放大器的输出被连接至数据接收装置。
8.根据权利要求4所述的基于超连续谱光源的可调谐泵浦-探测系统，其特征在于，所使用的高非线性光纤为光子晶体光纤，飞秒激光泵浦该种光纤能产生从可见光至近红外的超连续谱。
9.根据权利要求7所述的基于超连续谱光源的可调谐泵浦-探测系统，其特征在于，所使用的光学斩波器频率调节范围为4Hz至10kHz。
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