CN112782135A - 一种基于瞬态克尔效应的飞秒角分辨光谱成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于瞬态克尔效应的飞秒角分辨光谱成像方法，利用共焦成像技术、飞秒光诱导瞬态克尔效应和飞秒泵浦探测技术，同时通过配置二维探测器的光谱仪实现对待测信号的飞秒时间分辨、空间角度分辨和能量分辨的成像测量。本发明的优点是时空频率多维信息获取、实施装置简单灵活、可靠性高、实现无背景测量、信噪比高。

Description

一种基于瞬态克尔效应的飞秒角分辨光谱成像方法
技术领域
本发明涉及超快激光技术、超快光谱技术领域，具体涉及一种利用共焦成像技术、飞秒光诱导瞬态克尔效应和飞秒泵浦探测技术的飞秒角分辨光谱的成像测量方法。
背景技术
超快光谱技术主要用于研究超快激光与物质的相互作用，利用超快激光脉冲持续时间短的特性实现超高时间分辨，用于研究物性随时间的演化过程，在物理、化学、生物、材料、能源、环境等众多领域发挥着重要应用。超快光谱或超快成像技术主要涉及时间分辨尺度小于纳秒（10-9秒）量级，能够用于探测超快激光与物质中的电荷、晶格、自旋及轨道角动量等多个自由度的相互作用。
为了研究众多的微观超快动力学过程，多种时间分辨光谱的快门技术被发展起来。如基于电子快门技术的条纹相机、基于光学非线性过程的瞬态吸收、瞬态光栅、光克尔门等技术。这其中，电子快门技术的时间分辨精度被限制在纳秒至皮秒（10-12秒）量级，尚未达到飞秒（10-15秒）量级的时间分辨，无法测量化学键重组、电荷及能量传递等飞秒时间尺度下发生的超快动力学过程。基于各种瞬态非线性光学的快门技术能够达到飞秒量级的时间分辨，并已被广泛用于光与物质相互作用动力学研究中，但各种技术仍存在一定的制约。例如，基于干涉过程的时间分辨测量在待测能量范围上存在制约，且空间信息容易丢失；通过频率转换非线性技术实现飞秒时间分辨的，受制于非线性晶体的相位匹配条件；此外，很多飞秒时间分辨的瞬态光谱技术都只能获取一维光谱信息，对信号的空间角度分布未作分辨，从而丢失了重要的物理信息。
为了更好的理解光与物质相互作用的微观动力学过程，对所产生辐射的时间、频率和空间特性的表征尤为重要。目前，亟待发展兼具超高时间分辨、空间和频率分辨能力的实用超快光谱技术。
发明内容
本发明的目的是为了克服以往多种超快光谱技术探测信息不够全面的问题而提供的一种利用共焦成像技术、飞秒光诱导瞬态克尔效应和飞秒泵浦探测技术，同时通过配置二维探测器的光谱仪实现对待测信号的飞秒时间分辨、空间角度分辨和能量分辨的成像测量方法。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种基于瞬态克尔效应的飞秒角分辨光谱成像方法，该方法创新之处在于，结合共焦成像、泵浦探测和二维光谱信息采集，实现飞秒时间分辨、空间角度分辨和能量分辨的多维信息同时获取。具体包括以下步骤：
步骤1：利用多个凸透镜组成共焦成像系统获取待测信号实空间或动量空间的信息；
步骤2：在共焦成像系统中插入偏振方向互相垂直的起偏器和检偏器，对待测信号进行选偏；
步骤3：将克尔介质放置于共焦成像系统的任意一个焦点上；
步骤4：控制克尔门开关的飞秒激光脉冲与待测信号光呈0°-180°夹角入射于克尔介质之上，控制克尔门开关的飞秒激光脉冲与步骤2中起偏器选取待测信号偏振夹角在30°- 60°；通过高精度平移台控制开关脉冲的到达时间，当开关脉冲与信号光同时到达克尔介质时，信号光偏振态受到瞬态克尔效应影响，部分信号光能够通过正交选偏；
步骤5：使用配置二维探测器的光谱仪接收待测信号，获取待测信号的角分辨光谱信息；通过扫描步骤4中的高精度平移台，采集多个时间点上的角分辨光谱，实现飞秒角分辨光谱成像测量。
在步骤1中所述待测信号的实空间和动量空间，是指共焦成像光路中透镜个数为奇数时，获取的是实空间信息；透镜个数为偶数时，获取的是动量空间信息。
在步骤2中所述起偏器和检偏器，起偏器选取待测信号偏振，检偏器选通信号。
在步骤3中所述克尔介质为熔融石英、SFL6玻璃、钛酸锶晶体、二硫化碳、苯、甲醇或水。
在步骤5中所述获取待测信号的角分辨光谱信息包括飞秒时间分辨、空间角度分辨和能量分辨信息。
本发明的优点是，时空频率多维信息同时获取、装置简单灵活、可靠性高、实现无背景测量、信噪比高。无需非线性晶体以及非线性频率转换过程，不受相位匹配条件限制；光谱响应范围只受克尔介质影响，响应范围广；共焦成像系统能够自由切换实空间与动量空间、近场与远场的成像测量。本发明在光与物质相互作用的超快动力学研究中具有非常广阔的应用前景。本发明的具有飞秒时间分辨的角分布光谱成像方法，将大大拓展对微观动力学过程的探测能力，为揭示光与物质相互作用深层物理机制开拓新道路。
附图说明
图1为本发明原理图；
图2为本发明实施例1的结构图；
图3为本发明实施例2的结构图。
具体实施方式
本发明的有益效果是通过下述方案和装置实现的，通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明。
参阅图1，飞秒角分辨光谱成像原理图。
步骤1、利用第一透镜2、第二透镜5和第三透镜7组成共焦成像系统获取待测信号信息。当共焦成像系统由第一透镜2和第二透镜5组成，不加入第三透镜7时，此时获取的是动量空间信息；当在第一透镜2和第二透镜5基础上加入第三透镜7，此时获取的是实空间信息；将光谱仪光栅设置处于非衍射角度、采集模式设置为成像模式，还可直接获取焦平面二维空间信息；
步骤2、在共焦成像系统中插入偏振方向互相垂直的起偏器1和检偏器6，起偏器1选取待测信号偏振，检偏器6选通信号；
步骤3、将克尔介质3放置于共焦成像系统的任意一个焦点上；
步骤4、控制克尔门开关的飞秒激光脉冲与待测信号光呈0°-180°夹角入射于克尔介质3之上，控制克尔门开关的飞秒激光脉冲与步骤2中起偏器1选取待测信号偏振夹角在30°- 60°；通过高精度平移台10控制开关脉冲的到达时间，当开关脉冲与信号光同时到达克尔介质3时，信号光偏振态受到瞬态克尔效应影响，部分信号光能够通过正交选偏；控制克尔门开关的飞秒激光脉冲通过克尔介质3后由光垃圾桶4吸收；
步骤5、使用配置二维探测器的光谱仪8接收待测信号，获取待测信号的角分辨光谱信息；通过扫描步骤4中的高精度平移台10，采集多个时间点上的角分辨光谱，实现飞秒角分辨光谱成像测量。
本发明原理：结合共焦成像技术、飞秒光诱导瞬态克尔效应和飞秒泵浦探测技术，同时通过配置二维探测器的光谱仪实现对待测信号的飞秒时间分辨、空间角度分辨和能量分辨的成像测量。
实施例1
本实施例将飞秒角分辨光谱成像技术用于超快激光信号测量，实现激光脉冲时空啁啾的表征。
参阅图2，飞秒脉冲激光器激光脉冲经分束镜17后分为两束。透射的一束经过第四反射镜16和第一反射镜11入射到共焦成像系统中；反射的一束经过第三反射镜14、二分之一波片15、精密平移台10、第四透镜13、第一反射镜9入射到克尔介质3上，之后由光垃圾桶4吸收。
步骤1、利用第一透镜2、第二透镜5和第三透镜7组成共焦成像系统获取待测信号信息。当共焦成像系统由第一透镜2和第二透镜5组成，不加入第三透镜7时，此时获取的是动量空间信息；当在第一透镜2和第二透镜5基础上加入第三透镜7，此时获取的是实空间信息；将光谱仪光栅设置处于非衍射角度、采集模式设置为成像模式，还可直接获取焦平面二维空间信息。
步骤2、在共焦成像系统中插入偏振方向互相垂直的起偏器1和检偏器6，起偏器1选取待测信号偏振，检偏器6选通信号。
步骤3、将克尔介质3放置于共焦成像系统的任意一个焦点上；
步骤4、控制克尔门开关的飞秒激光脉冲与待测信号光呈30°夹角入射于克尔介质3之上，控制克尔门开关的飞秒激光脉冲与步骤2中起偏器1选取待测信号偏振夹角在45°；通过高精度平移台10控制开关脉冲的到达时间，当开关脉冲与信号光同时到达克尔介质3时，信号光偏振态受到瞬态克尔效应影响，部分信号光能够通过正交选偏；
步骤5、使用配置二维探测器的光谱仪8接收待测信号，获取待测信号的角分辨光谱信息；通过扫描步骤4中的高精度平移台10，采集多个时间点上的角分辨光谱，实现飞秒角分辨光谱成像测量。
通过本实施例能够直接测量飞秒激光脉冲的时间和空间啁啾信息，包括激光光谱随时间的变化和随空间不同位置的变化信息。
实施例2
本实施例将飞秒角分辨光谱成像技术用于荧光信号测量。激发光由物镜聚焦照射到样品上产生荧光信号，再由收集物镜收集，信号光后通过加入克尔门的共焦成像系统，经配置二维探测器的光谱仪采集，实现实空间或动量空间飞秒角分辨光谱成像测量。
参阅图3，飞秒脉冲激光器激光脉冲经分束镜17后分为两束，透射的一束经过第四反射镜16和第二反射镜11，由第一聚焦物镜19将光束聚焦照射到样品材料20上，再由第二物镜21收集样品发出的荧光信号；反射的一束经过第三反射镜14、二分之一波片15、精密平移台10、第四透镜13、第一反射镜9，入射到克尔介质3上，之后由光垃圾桶4吸收。
步骤1、利用第一透镜2、第二透镜5和第三透镜7组成共焦成像系统获取待测信号信息。当共焦成像系统由第一透镜2和第二透镜5组成，不加入第三透镜7时，此时获取的是动量空间信息；当在第一透镜2和第二透镜5基础上加入第三透镜7，此时获取的是实空间信息；将光谱仪光栅设置处于非衍射角度、采集模式设置为成像模式，还可直接获取焦平面二维空间信息。
步骤2、在共焦成像系统中插入偏振方向互相垂直的起偏器1和检偏器6，起偏器1选取待测信号偏振，检偏器6选通信号。
步骤3、将克尔介质3放置于共焦成像系统的任意一个焦点上；
步骤4、控制克尔门开关的飞秒激光脉冲与待测信号光呈60°夹角入射于克尔介质3之上，控制克尔门开关的飞秒激光脉冲与步骤2中起偏器1选取待测信号偏振夹角在50°；通过高精度平移台10控制开关脉冲的到达时间，当开关脉冲与信号光同时到达克尔介质3时，信号光偏振态受到瞬态克尔效应影响，部分信号光能够通过正交选偏；
步骤5、使用配置二维探测器的光谱仪8接收待测信号，获取待测信号的角分辨光谱信息；通过扫描步骤4中的高精度平移台10，采集多个时间点上的角分辨光谱，实现飞秒角分辨光谱成像测量。
通过本实施例能够直接测量待测信号的动力学过程，包括待测信号的寿命，能量随时间的偏移，空间角度随时间的演化。

Claims (5)

1.一种基于瞬态克尔效应的飞秒角分辨光谱成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：利用多个凸透镜组成共焦成像系统获取待测信号实空间或动量空间的信息；
步骤2：在共焦成像系统中插入偏振方向互相垂直的起偏器和检偏器，对待测信号进行选偏；
步骤3：将克尔介质放置于共焦成像系统的任意一个焦点上；
步骤4：控制克尔门开关的飞秒激光脉冲与待测信号光呈0°-180°夹角入射于克尔介质之上，控制克尔门开关的飞秒激光脉冲与步骤2中起偏器选取待测信号偏振夹角在30°-60°；通过高精度平移台控制开关脉冲的到达时间，当开关脉冲与信号光同时到达克尔介质时，信号光偏振态受到瞬态克尔效应影响，部分信号光能够通过正交选偏；
步骤5：使用配置二维探测器的光谱仪接收待测信号，获取待测信号的角分辨光谱信息；通过扫描步骤4中的高精度平移台，采集多个时间点上的角分辨光谱，实现飞秒角分辨光谱成像测量。
2.根据权利要求1所述的基于瞬态克尔效应的飞秒角分辨光谱成像方法，其特征在于，在步骤1中，所述待测信号的实空间和动量空间，是指共焦成像光路中透镜个数为奇数时，获取的是实空间信息；透镜个数为偶数时，获取的是动量空间信息。
3.根据权利要求1所述的基于瞬态克尔效应的飞秒角分辨光谱成像方法，其特征在于，在步骤2中，所述起偏器和检偏器，起偏器选取待测信号偏振，检偏器选通信号。
4.根据权利要求1所述的基于瞬态克尔效应的飞秒角分辨光谱成像方法，其特征在于，在步骤3中，所述克尔介质为熔融石英、SFL6玻璃、钛酸锶晶体、二硫化碳、苯、甲醇或水。
5.根据权利要求1所述的基于瞬态克尔效应的飞秒角分辨光谱成像方法，其特征在于，在步骤5中，所述获取待测信号的角分辨光谱信息包括飞秒时间分辨、空间角度分辨和能量分辨信息。
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Application publication date: 20210511