CN112098359A - 一种单发太赫兹瞬态光谱检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光系统领域，具体公开了一种单发太赫兹瞬态光谱检测方法，包括产生啁啾皮秒激光，并将其压缩至90～110飞秒激光脉冲；对飞秒激光脉冲进行倍频处理产生倍频光，并对倍频光和基频光进行相位延迟处理且调整两种光偏振平行，进行聚焦处理后生成太赫兹光超连续；对太赫兹光进行滤波处理去除残余基频光和倍频光，准直为平行光并进行空间分离处理产生空间分离的脉冲序列，空间分离的脉冲序列重新准直后聚焦于待观测样品；经过待观测样品后的脉冲序列在非线性介质环境中生成四波混频信号，并将四波混频信号经过聚焦后于可见光谱仪内进行光谱成像观测。本方法不仅实现了单发瞬态光谱的测量，还有效的提高了太赫兹光的宽谱测量。
Description
技术领域
本发明涉及激光系统领域，具体涉及瞬态光谱观测技术，尤其涉及一种单发太赫兹瞬态光谱检测方法。
背景技术
传统的太赫兹瞬态光谱技术适合于可逆的超快动力学过程的研究，但无法实现单次的不可逆的超快动力学过程观测。其原因在于传统的太赫兹瞬态光谱技术一方面基于太赫兹脉冲时域信号的逐点测量，另一方面为获取完整的超快动力学信息，在动力学过程探测中还需要另外对时间逐点测量。故此处存在一个技术问题：传统太赫兹瞬态光谱技术无法实现不可逆过程的瞬态光谱的单发探测。
近十几年来单发太赫兹光谱测量技术有了一定发展，可以实现对单个或者两三个太赫兹脉冲的光谱进行单次测量。但是一方面这种技术只能对单个或者两三个太赫兹脉冲进行测量，无法实现对包含几十上百个脉冲的整个太赫兹脉冲序列进行测量，从而仍然无法实现不可逆的超快动力学过程的太赫兹瞬态光谱探测。另一方面，这种技术基于探测光和太赫兹在非线性晶体中发生的和频效应，然而非线性晶体自身对太赫兹光会有吸收，这就导致了这种技术不能实现宽谱探测。此处还存在另外一个技术问题：传统单发探测太赫兹光谱的方法所依赖的非线性晶体媒介，导致了探测光普范围受限。
因此现有的单发太赫兹瞬态测量技术存在亟待改进的地方，需要对其进行研究优化以得到更为合理的技术方案，解决现有技术中的不足。
发明内容
为了克服上述内容中提到的现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种单发太赫兹瞬态光谱检测方法，旨在通过利用改进的观测系统，结合一种新的检测方法，使用空间分离的脉冲技术方式实现瞬态光谱的单发探测，同时采用惰性气体作为非线性介质，实现太赫兹的宽谱探测。
为了实现上述目的，本发明具体采用的技术方案是：
一种单发太赫兹瞬态光谱检测方法，包括：
产生啁啾皮秒激光，并将其压缩至90～110飞秒激光脉冲；
对飞秒激光脉冲进行倍频处理产生倍频光，并对倍频光和基频光进行相位延迟处理且调整两种光偏振平行，进行聚焦处理后生成太赫兹光超连续；
对太赫兹光进行滤波处理去除残余基频光和倍频光，准直为平行光并进行空间分离处理产生空间分离的脉冲序列，空间分离的脉冲序列重新准直后聚焦于待观测样品；
经过待观测样品后的脉冲序列在非线性介质环境中生成四波混频信号，并将四波混频信号经过聚焦后于可见光谱仪内进行光谱成像观测。
进一步的，所述的对倍频光和基频光进行相位延迟处理，相位延迟处理后倍频光和基频光的时间延迟为零。
再进一步，上述技术方案中所述的对倍频光和基频光进行相位延迟处理且调整两种光偏振平行，进行聚焦处理后生成太赫兹光超连续，对两种偏振光经过平面反射和凹面反射实现汇聚，且在非线性介质环境中生成太赫兹光超连续。
再进一步，为避免非线性介质对太赫兹光出现吸收形成削弱，此处对非线性介质进行优化，所述的非线性介质为氮气或惰性气体。
进一步的，所述的进行空间分离处理产生空间分离的脉冲序列，空间分离的脉冲序列重新准直后聚焦于待观测样品，其中空间分离的脉冲序列与外来激发光脉冲在待观测样品处进行汇聚，通过激发光对样品进行单发激发。
再进一步，所述的外来激发光脉冲，是由所述的飞秒激光脉冲经过光参量放大器处理、偏向反射处理和汇聚处理后得到的，经过时间延迟处理后与空间分离的脉冲序列匹配。
进一步的，所述的经过待观测样品后的脉冲序列在非线性介质环境中生成四波混频信号，其中经过样品后的脉冲序列与外来啁啾皮秒激光进行共线汇合，在非线性介质中进行汇聚产生四波混频信号。
再进一步，所述的外来啁啾皮秒激光经过时间延迟处理和准直汇聚处理后与经过样品的脉冲序列共线汇合，且啁啾皮秒激光与经过样品的脉冲序列的时间延迟为零。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
本发明产生空间分离脉冲序列，与激发光共同对样本进行处理；经过样本的太赫兹光序列还与啁啾激光进行共线重合以产生四波混频信号，最终进入光谱探测模块进行光谱成像显示。无论是太赫兹光的产生还是四波混频的产生，都在氮气或惰性气体作为非线性介质的环境下进行的，有效的提高了太赫兹光的宽谱测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅表示出了本发明的部分实施例，因此不应看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。
图1是光谱系统的组成模块示意图；
图2是太赫兹产生模块的组成模块示意图；
图3是样品模块的组成模块示意图；
图4是光谱探测模块的组成模块示意图；
图5是激发光模块的组成模块示意图；
图6是空间分离脉冲序列产生原理俯视图；
图7是空间分离脉冲序列产生原理侧视图；
图8是啁啾激光四波混频原理图；
图9是单发探测瞬态光谱原理图。
图10是单发太赫兹瞬态光谱检测方法的流程示意图。
附图中的标号所对应的含义为：110、啁啾皮秒光产生模块；120、脉冲压缩模块；130、太赫兹产生模块；132、倍频晶体；133、相位延迟片；134、双色波片；135、第一平面反射镜；136、第一凹面反射镜；137、第一气体喷嘴；140、样品模块；142、高阻硅片；143、第一离轴抛物面镜；144、闪耀光栅；145、第二离轴抛物面镜；146、样品；147、第三离轴抛物面镜；150、光谱探测模块；152、第一延时组件；153、第一汇聚透镜；154、第四离轴抛物面镜；155、第二气体喷嘴；156、短通滤光片；157、第二汇聚透镜；158、可见光谱仪；160、激发光模块；162、光参量放大器；163、第一偏向反射镜；164、第二延时组件；165、第二偏向反射镜；166、第三汇聚透镜。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。
在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。
实施例1
如图10所示，本实施例公开了一种单发太赫兹瞬态光谱检测方法，包括：
S01：产生啁啾皮秒激光，并将其压缩至90～110飞秒激光脉冲；优选的，本实施例可采用100飞秒激光脉冲。根据实际的情况可选择采用90飞秒或110飞秒激光脉冲；
S02：对飞秒激光脉冲进行倍频处理产生倍频光，并对倍频光和基频光进行相位延迟处理且调整两种光偏振平行，进行聚焦处理后生成太赫兹光超连续；
S03：对太赫兹光进行滤波处理去除残余基频光和倍频光，准直为平行光并进行空间分离处理产生空间分离的脉冲序列，空间分离的脉冲序列重新准直后聚焦于待观测样品；
S04：经过待观测样品后的脉冲序列在非线性介质环境中生成四波混频信号，并将四波混频信号经过聚焦后于可见光谱仪内进行光谱成像观测；
S05：所述的对倍频光和基频光进行相位延迟处理，相位延迟处理后倍频光和基频光的时间延迟为零。
上述技术方案中所述的对倍频光和基频光进行相位延迟处理且调整两种光偏振平行，进行聚焦处理后生成太赫兹光超连续，对两种偏振光经过平面反射和凹面反射实现汇聚，且在非线性介质环境中生成太赫兹光超连续。
为避免非线性介质对太赫兹光出现吸收形成削弱，此处对非线性介质进行优化，所述的非线性介质为氮气或惰性气体。
所述的进行空间分离处理产生空间分离的脉冲序列，空间分离的脉冲序列重新准直后聚焦于待观测样品，其中空间分离的脉冲序列与外来激发光脉冲在待观测样品处进行汇聚，通过激发光对样品进行单发激发。
所述的外来激发光脉冲，是由所述的飞秒激光脉冲经过光参量放大器处理、偏向反射处理和汇聚处理后得到的，经过时间延迟处理后与空间分离的脉冲序列匹配。
所述的经过待观测样品后的脉冲序列在非线性介质环境中生成四波混频信号，其中经过样品后的脉冲序列与外来啁啾皮秒激光进行共线汇合，在非线性介质中进行汇聚产生四波混频信号。
所述的外来啁啾皮秒激光经过时间延迟处理和准直汇聚处理后与经过样品的脉冲序列共线汇合，且啁啾皮秒激光与经过样品的脉冲序列的时间延迟为零。
具体应用时，太赫兹光经过闪耀光栅144空间分离的脉冲序列聚焦在样品上后，脉冲序列集中在一点。脉冲序列中不同脉冲与激发光的时间差组成时间轴，其光谱组成瞬态吸收光谱。经过样品后脉冲序列再次分离到竖直方向，经过第四离轴抛物面镜154聚焦在第二气体喷嘴155处发生四波混频上频转换生成可见光，第四离轴抛物面镜154保持了脉冲序列的空间分离状态，最后用可见光光谱仪158成像的方法一次性探测不同点的光谱。
实施例2
上述实施例公开了单发太赫兹瞬态光谱检测方法，本实施例针对太赫兹光的产生及用于对样品146的光谱成像观测进行说明，公开了一种经过改进的光谱系统，可实现单发太赫兹瞬态光谱观测。
具体的，如图1所示，本实施例公开的一种单发太赫兹瞬态光谱系统，包括啁啾皮秒光产生模块110，该啁啾皮秒光产生模块110产生激光并通过一路电磁波传播路径依次传播至脉冲压缩模块120、太赫兹产生模块130、样品模块140和光谱探测模块150，啁啾皮秒光产生模块110还通过另一路电磁波传播路径将激光传播至光谱探测模块150用于产生四波混频信号；所述的脉冲压缩模块120分出单独的一路激光传播至激发光模块160，激光泵浦激发光模块160之后产生激发脉冲序列并传播至样品模块140用于激发样品146；所述的太赫兹产生模块130和光谱探测模块150都包括有氮气传播介质或惰性气体传播介质。
如图9所示，上述公开的单发太赫兹瞬态光谱系统，利用四波混频的方式对太赫兹光进行处理，并利用氮气或惰性气体作为非线性介质，不仅大大提高了太赫兹光的宽频探测，还实现了单发太赫兹光的瞬态观测；在光谱探测模块150，将太赫兹光进行成像处理，以分别对不同点的光谱进行探测。
上述技术方案中公开了啁啾皮秒光产生模块110，所述的啁啾皮秒光产生模块110包括激光器。
优选的，本实施例中可采用钛宝石激光器，并可采用激光放大器配合激光输出。
所述的脉冲压缩模块120包括脉冲压缩盒。所述的脉冲压缩盒得到来自啁啾皮秒光产生模块110的50％激光，并进行处理后输出100飞秒的激光，该激光脉冲一部分传播至太赫兹产生模块130用于产生太赫兹光，另一部分传播至激发光模块160用于产生激发光。
太赫兹产生模块130用于产生太赫兹光，本发明中采用了更新的太赫兹产生模块130结构，此处举出具体可行的方案：如图2所示，所述的太赫兹产生模块130包括依次用于激光通过或反射的倍频晶体132、相位延迟片133、双色波片134、第一平面反射镜135及第一凹面反射镜136，第一平面反射镜135与激光的传播路径呈一定夹角设置并将激光偏向反射至第一凹面反射镜136，第一凹面反射镜136对激光进行反射并聚焦，太赫兹产生模块130还包括第一气体喷嘴137，第一气体喷嘴137对反射后聚焦的激光提供氮气传播介质或惰性气体传播介质，太赫兹光经过传播介质后传播至样品模块140。这样设置时，通过倍频晶体132对激光进行处理得到倍频光脉冲，此后经过相位延迟片133调节基频光和倍频光脉冲的时间延迟，再经过双色波片134改变基频光的偏振使其和倍频光偏振平行，经过第一平面反射镜135和第一凹面反射镜136后激光通过第一气体喷嘴137处，第一气体喷嘴137向外喷发氮气或惰性气体作为激光通过的介质，在介质中产生太赫兹光超连续，此后传播至样品模块140。
样品模块140处放置待测样品146，到达样品模块140处的太赫兹光产生空间分离脉冲序列，具体的，如图5所示，所述的样品模块140包括用于生成空间分离脉冲序列的闪耀光栅144，太赫兹光经过闪耀光栅144后与激发光模块160产生的激发脉冲序列在样品146处重合，激发光脉冲用于激发样品146。
所述的样品模块140还包括高阻硅片142，太赫兹光到达闪耀光栅144之前先经过高阻硅片142，高阻硅片142与闪耀光栅144之间以及闪耀光栅144与样品146之间分别设置有第一离轴抛物面镜143和第二离轴抛物面镜145。高阻硅片142用于滤除太赫兹光中的残余的基频光和倍频光，经过第一离轴抛物面镜143准直为平行光后到达闪耀光栅144，闪耀光栅144进行太赫兹光的空间分离并产生空间分离脉冲序列，空间分离脉冲序列经过第二离轴抛物面镜145之后传播至样品146并在样品146处与激发脉冲序列重合。
优选的，本实施例中，如图6、图7和图8所示，闪耀光栅144刻线水平放置，太赫兹光经过闪耀光栅144反射后在竖直方向引入阶梯状的时间延迟。
所述的样品模块140还包括第三离轴抛物面镜147，经过样品146后的太赫兹光经过第三离轴抛物面镜147准直后传播至光谱探测模块150。
到达光谱探测仪模块的太赫兹光经过处理后显示成像，便于进行各点处的观测，具体的，举出如下具体可行的方案：如图6、图8和图9所示，所述的光谱探测模块150包括可见光谱仪158，来自样品模块140的太赫兹光和来自啁啾皮秒光产生模块110发出的啁啾激光在第四离轴抛物面镜154处汇合共线，经过第二气体喷嘴155处的氮气传播介质或惰性气体传播介质后产生四波混频信号，四波混频信号依次经过短通滤光片156和第二汇聚透镜157后进入可见光谱仪158。在短通滤波片处，滤去啁啾激光，剩余的四波混频信号最终进入可见光谱仪158进行成像得到可见光谱，可见光谱可通过反演得到太赫兹光谱。
对光谱探测模块150进行优化，举出如下具体可行的方案：所述的光谱探测模块150还包括第一延时组件152，第一延时组件152包括若干反射镜和第一汇聚透镜153，来自啁啾激光经过第一延时组件152和第一汇聚透镜153后传播至第四离轴抛物面镜154。所述的第四离轴抛物面镜154上设置有小孔，啁啾激光通过小孔与太赫兹光发生汇合共线。
优选的，本实施例中的第一延时组件152包括三个反射镜，并将太赫兹光进行三次90°转向调节。
对上述技术方案中公开的激发光模块160进行说明，所述的激发光模块160包括光参量放大器162和第三汇聚透镜166，光参量放大器162与第三汇聚透镜166之间设置有第二延时组件164，第二延时组件164包括若干反射镜，经过光参量放大器162的啁啾激光经过偏向反射镜的调节后进入第二延时组件164，再经过偏向反射镜的调节经过汇聚透镜后传播至样品模块140。
优选的，本实施例中的第二延时组件164包括两个反射镜，并将激光进行两次90°转向调节。
优选的，本实施例中设置了第一偏向反射镜163和第二偏向反射镜165，第一偏向反射镜163将经过光参量放大器162的激光调节后传播至第二延时组件164，第二延时组件164传播处出的激光经过第二偏向反射镜165后传播至样品模块140。
以上即为本发明列举的实施方式，但本发明不局限于上述可选的实施方式，本领域技术人员可根据上述方式相互任意组合得到其他多种实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的实施方式。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。
Claims (8)
1.一种单发太赫兹瞬态光谱检测方法，其特征在于，包括：
产生啁啾皮秒激光，并将其压缩至90～110飞秒激光脉冲；
对飞秒激光脉冲进行倍频处理产生倍频光，并对倍频光和基频光进行相位延迟处理且调整两种光偏振平行，进行聚焦处理后生成太赫兹光超连续；
对太赫兹光进行滤波处理去除残余基频光和倍频光，准直为平行光并进行空间分离处理产生空间分离的脉冲序列，空间分离的脉冲序列重新准直后聚焦于待观测样品；
经过待观测样品后的脉冲序列在非线性介质环境中生成四波混频信号，并将四波混频信号经过聚焦后于可见光谱仪内进行光谱成像观测。
2.根据权利要求1所述的单发太赫兹瞬态光谱检测方法，所述的对倍频光和基频光进行相位延迟处理，其特征在于：
相位延迟处理后倍频光和基频光的时间延迟为零。
3.根据权利要求1所述的单发太赫兹瞬态光谱检测方法，所述的对倍频光和基频光进行相位延迟处理且调整两种光偏振平行，进行聚焦处理后生成太赫兹光超连续，其特征在于：
对两种偏振光经过平面反射和凹面反射实现汇聚，且在非线性介质环境中生成太赫兹光超连续。
4.根据权利要求3所述的单发太赫兹瞬态光谱检测方法，其特征在于：所述的非线性介质为氮气或惰性气体。
5.根据权利要求1所述的单发太赫兹瞬态光谱检测方法，所述的进行空间分离处理产生空间分离的脉冲序列，空间分离的脉冲序列重新准直后聚焦于待观测样品，其特征在于：
空间分离的脉冲序列与外来激发光脉冲序列在待观测样品处进行汇聚，通过激发光序列对样品进行激发，激发光序列的频率可调且激发光序列的时序匹配于空间分离的脉冲序列时序之中。
6.根据权利要求5所述的单发太赫兹瞬态光谱检测方法，其特征在于：所述的外来激发光脉冲序列，是由所述的飞秒激光脉冲经过光参量放大器处理、偏向反射处理和汇聚处理后得到的，经过时间延迟处理后与空间分离的脉冲序列匹配。
7.根据权利要求1所述的单发太赫兹瞬态光谱检测方法，所述的经过待观测样品后的脉冲序列在非线性介质环境中生成四波混频信号，其特征在于：
经过样品后的脉冲序列与外来啁啾皮秒激光进行共线汇合，在非线性介质中进行汇聚产生四波混频信号。
8.根据权利要求7所述的单发太赫兹瞬态光谱检测方法，其特征在于：所述的外来啁啾皮秒激光经过时间延迟处理和准直汇聚处理后与经过样品的脉冲序列共线汇合，且啁啾皮秒激光与经过样品的脉冲序列的时间延迟为零。
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