CN113008840A - 基于激光泵浦探测的闪烁材料瞬态过程表征系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于激光泵浦探测的闪烁材料瞬态过程表征系统和方法。该系统包括飞秒激光器、三倍频发生器、延迟线、斩波器、平衡探测器以及锁相放大器；该系统基于激光泵浦探测原理，分别利用飞秒激光器的基频光和三倍频光作为探测光和泵浦光，通过光路设计，实现闪烁材料受激发后ps时间尺度内载流子动态过程的诊断和表征，弥补了常规光电测量方法时间测量极限的问题。

Description

基于激光泵浦探测的闪烁材料瞬态过程表征系统和方法
技术领域
本发明涉及一种基于激光泵浦探测的闪烁材料瞬态过程表征系统和方法。
背景技术
闪烁材料被广泛用来测量诸如γ、X射线以及带电粒子等，其被射线激发后发光，对其激发后瞬态过程的研究可以加深对闪烁体发光原理，特别是对载流子产生、复合、猝灭等物理过程的认识，为探寻满足不同测量和诊断应用需求的闪烁材料，提高拓展闪烁体探测器性能提供依据。
目前常规探测方法对于闪烁体受激后的瞬态过程只能达到ns级(纳秒级)，对于ps级(皮秒级)尺度内的瞬态过程无法进行探测和表征，究其原因是：ps级尺度远远小于现有常规光学探测方法的探测极限，所以常规测量荧光衰减无法实现对该过程的研究。
发明内容
为了解决常规光学探测方法无法满足闪烁材料受激发后ps级尺度内的瞬态过程探测和表征的问题，本发明提出了一种基于激光泵浦探测的闪烁材料瞬态过程表征系统和方法，为闪烁材料中ps尺度瞬态过程的研究提供了思路和方法，为理解闪烁材料物理机制，提高闪烁体探测器的性能提供实验依据。
本发明的基本原理是：
其原理是基于激光泵浦探测原理，分别利用飞秒激光器的基频光和三倍频光作为探测光和泵浦光，通过光路设计，实现闪烁材料受激发后ps时间尺度内载流子动态过程的诊断和表征。
本发明采用的技术方案是：
本发明提供了一种基于激光泵浦探测的闪烁材料瞬态过程表征系统，包括飞秒激光器、三倍频发生器、延迟线、斩波器、平衡探测器以及锁相放大器；
飞秒激光器产生的800nm的基频光经过第一分束镜分束后，产生两路800nm激光；
一路800nm激光经由三倍频发生器产生266nm的紫外激光，再经过延迟线和斩波器，用作泵浦光激发样品；所述延迟线的步长范围为飞秒级；
另一路800nm激光经过第二分束镜再次分为第一路探测光和第二路探测光；
第一路探测光直接经过闪烁材料样品后被平衡探测器的一个光阴极接收；
第二路探测光经过泵浦光在闪烁材料样品上的激发区域之后被平衡探测器的另一个光阴极接收；
平衡探测器中两个光阴极接收的两路探测光形成差分电压信号，并传输至锁相放大器中；
锁相放大器获取延迟线运动过程中每个延迟点下电压值，归一化处理得到闪烁材料样品吸光度衰减曲线，通过吸光度衰减曲线最终拟合出闪烁材料样品受激发后ps时间尺度内载流子动态过程函数表达式。
优选地，根据闪烁材料样品的不同，吸光度衰减曲线拟合方式根据不同材料瞬态过程的差异采用单指数函数、双指数函数或多指数函数进行拟合。
优选地，所述延迟线的行程为300mm，最大测量范围为2ns，足够覆盖绝大多数闪烁材料受激后载流子瞬态过程的研究。
优选地，飞秒激光器频率为1kHz，在泵浦光路上添加调制，利用斩波片得到500Hz的266nm的紫外激光，并将斩波器产生的信号作为参考信号给到锁相放大器，从而实现在1kHz本底中对500Hz信号的提取。
优选地，实验控制方面利用MATLAB程序实现平移台控制和锁相放大器数据的读取，并通过循环语句实现逐点扫描。
基于上述系统的介绍，现对采用该系统进行闪烁体瞬态过程表征的方法步骤进行描述：
步骤1：搭建上述系统，调节系统中各光路，保证光路的准直，使得延迟线运动过程中，光斑位置保持不变；
步骤2：获取差分电压信号
飞秒激光器的基频光用来产生泵浦光、第一路探测光以及第二路探测光；
第一路探测光经闪烁材料样品后直接入射在平衡探测器的一个光阴极上；
分别调节泵浦光和第二路探测光在闪烁材料样品上的位置，使得第二路探测光经过泵浦光在闪烁材料样品上的激发区域后，入射在平衡探测器的另一个光阴极上；
平衡探测器中两个光阴极接收的两路光信号形成差分电压信号，并传输至锁相放大器中；
步骤3：获取吸光度衰减曲线
控制延迟线运动，获取每个延迟点下锁相放大器对应的差分电压信号，进而得到一条扫描曲线，并对该扫描曲线进行归一化处理，得到吸光度衰减曲线；吸光度衰减曲线的横坐标为时间，纵坐标为对应时间点的吸光度数值；
步骤4：对步骤3获取的吸光度衰减曲线进行拟合得到闪烁材料样品受激发后ps时间尺度内载流子动态过程函数表达式。
优选地，在执行所述步骤2时，如果泵浦光有所残留，则在另一个光阴极前利用滤光片滤除残留的泵浦光。
相对现有技术，本发明的有益效果有：
1、本发明基于泵浦探测原理，可实现闪烁材料受激发后ps尺度内瞬态过程的表征，弥补了常规光电测量方法时间测量极限的问题。
2、本发明利用紫外激光泵浦，利用红外光探测，系统设置及计算方法简单，可以满足多种不同类型闪烁材料瞬态过程及载流子动力学过程的表征和研究。
附图说明
图1为实施例中提供的表征系统结构示意图；
图2为LYSO闪烁体归一化OD衰减曲线图；
图3为PbWO4闪烁体归一化OD衰减曲线图。
附图标记如下：
1-飞秒激光器、2-第一分束镜、3-第一反射镜、4-三倍频发生器、5-第二反射镜、6-延迟线、7-第三反射镜、8-斩波器、9-平衡探测器、10-锁相放大器、11-第二分束镜、12-第四反射镜、13-第五反射镜14-闪烁材料样品。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在有没做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在重复激发某物理过程时，每次激发仅记录该物理过程某时刻的信息，然后将记录时刻从物理过程起始端向物理过程结束端分步移动，把不同时刻的测量结果依次组合成物理过程发展全貌，这种技术称为泵浦-探测技术。本发明中，基于泵浦-探测技术，对闪烁体激发后ps时间尺度超快过程进行探测和表征，为理解闪烁材料物理机制，提高闪烁体探测器的性能提供实验依据。
泵浦探测实验中，通常利用透过率(T)或吸光度(OD)来描述样品对特定波长光的吸收系数及其变化过程
Figure BDA0002947485360000061
当透过率变化较弱时，
Figure BDA0002947485360000062
实验中测量得到样品激发后对探测光吸光度的变化就可以得到样品激发后载流子的浓度变化和时间特征，从而实现瞬态过程的表征。
实施例
本实施例提供了一种基于激光泵浦探测的闪烁材料瞬态过程表征系统，具体系统架构如图1所示，包括飞秒激光器1、第一分束镜2、第一反射镜3、三倍频发生器4、第二反射镜5、延迟线6、第三反射镜7、斩波器8、平衡探测器9、锁相放大器10、第二分束镜11、第四反射镜12以及第五反射镜13；
本实施例中，选择飞秒激光器1的基频光为800nm，脉宽约100fs，故时间分辨率小于200fs；选择LYSO和PbWO4两种闪烁晶体作为闪烁材料样品，所选晶体为直径5cm，厚1mm的圆柱形晶体。选择平衡探测器9为Newport公司2007型自动平衡探测器；选择延迟线6的电动平移台为Thorlabs公司LTS300型的电动平移台。
飞秒激光器1产生的800nm的基频光经过第一分束镜2分束后，产生两路800nm激光；
一路800nm激光经第一反射镜3反射后由三倍频发生器4产生266nm的紫外激光，再依次经过第二反射镜5、延迟线6、第三反射镜7和斩波器8出射，用作泵浦光激发闪烁材料样品14；另一路800nm激光经过第四反射镜12反射后，再由第二分束镜11分为第一路探测光和第二路探测光；
第一路探测光直接经过闪烁材料样品14后被平衡探测器9的一个光阴极接收；
第二路探测光经第五反射镜13反射，经过泵浦光在闪烁材料样品14上的激发区域之后被平衡探测器9的另一个光阴极接收；
平衡探测器9中两个光阴极接收的两路探测光形成差分电压信号，并传输至锁相放大器10中；
锁相放大器10获取延迟线运动过程中每个延迟点下差分电压信号，从而得到闪烁材料样品14吸光度衰减曲线，通过吸光度衰减曲线最终拟合出闪烁材料样品14受激发后ps时间尺度内载流子动态过程函数表达式。
采用本实施例的系统进行具体测量的过程及结果如下：
【1】依照图1搭建光路，调节系统中各光路，保证光路的准直，使得延迟线运动过程中，光斑位置保持不变；266nm紫外激光光斑直径约1mm，800nm基频光光斑直径约5mm。实施过程中，在泵浦光路上添加调制，利用斩波器得到500Hz的266nm激光，并将斩波器产生的信号作为参考信号给到锁相放大器，从而实现在1kHz本底中对500Hz信号的提取；
【2】获取差分电压信号
飞秒激光器出射基频光后产生泵浦光、第一路探测光以及第二路探测光；
第一路探测光经闪烁材料样品后直接入射在平衡探测器的一个光阴极上；
分别调节泵浦光和第二路探测光在闪烁材料样品上的位置，使得第二路探测光经过泵浦光在闪烁材料样品上的激发区域后，入射在平衡探测器的另一个光阴极上；
平衡探测器中两个光阴极接收的两路光信号形成差分电压信号，并传输至锁相放大器中；
【3】获取吸收度衰减曲线
利用MATLAB程序实现控制延迟线运动，获取每个延迟点下锁相放大器对应的差分电压信号，进而得到一条扫描曲线，并对该扫描曲线进行归一化处理，得到吸光度衰减曲线；吸光度衰减曲线的横坐标为时间，纵坐标为对应时间点的吸收度数值；根据需要可改变延迟线扫描的范围和步长，从而实现不同时间测量范围和精度，本实施例中，延迟线的测量范围为60ps，延迟线的步长选择200fs
本实施例中，获得的LYSO和PbWO4两种闪烁材料的归一化OD衰减曲线分别如图2和图3所示。
【4】由于两种闪烁材料的特性相似，因此本实施例分别对两种材料的OD衰减曲线均进行双指数拟合，拟合函数如下：
y＝A1exp(-x/t1)+A2exp(-x/t2)+y0
式中t1、t2分别表示载流子慢过程及快过程的时间特征常数，A1、A2分别表示载流子慢衰减过程的强弱以及载流子快衰减过程的强弱；y0表示常数。
两种材料拟合得到的参数分别如下表所示：
Figure BDA0002947485360000091
。

Claims (8)

1.一种基于激光泵浦探测的闪烁材料瞬态过程表征系统，其特征在于：包括飞秒激光器、三倍频发生器、延迟线、斩波器、平衡探测器以及锁相放大器；
飞秒激光器产生的800nm的基频光经过第一分束镜分束后，产生两路800nm激光；
一路800nm激光经由三倍频发生器产生266nm的紫外激光，再经过延迟线和斩波器，用作泵浦光激发样品；所述延迟线的步长范围为飞秒级；
另一路800nm激光经过第二分束镜再次分为第一路探测光和第二路探测光；
第一路探测光直接经过闪烁材料样品后被平衡探测器的一个光阴极接收；
第二路探测光通过泵浦光在闪烁材料样品上的激发区域之后被平衡探测器的另一个光阴极接收；
平衡探测器中两个光阴极接收的两路探测光形成差分电压信号，并传输至锁相放大器中；
锁相放大器获取延迟线运动过程中每个延迟点下电压值，归一化处理后得到闪烁材料样品吸光度衰减曲线，通过吸光度衰减曲线最终拟合出闪烁材料样品受激发后ps时间尺度内载流子动态过程函数表达式。
2.根据权利要求1所述的基于激光泵浦探测的闪烁材料瞬态过程表征系统，其特征在于：吸光度衰减曲线拟合方式根据闪烁材料瞬态过程的特征采用单指数函数、双指数函数或多指数函数进行拟合。
3.根据权利要求1所述的基于激光泵浦探测的闪烁材料瞬态过程表征系统，其特征在于：所述延迟线的行程为300mm，最大测量范围为2ns，足够覆盖绝大多数闪烁材料受激后载流子瞬态过程的研究。
4.根据权利要求1所述的基于激光泵浦探测的闪烁材料瞬态过程表征系统，其特征在于：所述飞秒激光器频率为1kHz，在泵浦光路上添加调制，利用斩波片得到500Hz的266nm的激光，并将斩波器产生的信号作为参考信号给到锁相放大器，从而实现在1kHz本底中对500Hz信号的提取。
5.根据权利要求1所述的基于激光泵浦探测的闪烁材料瞬态过程表征系统，其特征在于：利用MATLAB程序实现延迟线的运动和锁相放大器数据的读取，并通过循环语句实现逐点扫描。
6.一种基于激光泵浦探测的闪烁材料瞬态过程表征方法，其特征在于，包括以下实现步骤：
步骤1：搭建如权利要求1所述的系统，调节系统中各光路，保证光路的准直，使得延迟线运动过程中，光斑位置保持不变；
步骤2：获取差分电压信号
飞秒激光器发出的基频光产生泵浦光、第一路探测光以及第二路探测光；
第一路探测光经闪烁材料样品后直接入射在平衡探测器的一个光阴极上；
分别调节泵浦光和第二路探测光在闪烁材料样品上的位置，使得第二路探测光经过泵浦光在闪烁材料样品上的激发区域，之后入射在平衡探测器的另一个光阴极上；
平衡探测器中两个光阴极接收的两路光信号形成差分电压信号，并传输至锁相放大器中；
步骤3：获取吸光度衰减曲线
控制延迟线运动，获取每个延迟点下锁相放大器对应的差分电压信号，进而得到一条扫描曲线，并对该扫描曲线进行归一化处理，得到吸光度衰减曲线；吸光度衰减曲线的横坐标为时间，纵坐标为对应时间点的吸光度数值；
步骤4：对步骤3获取的吸光度衰减曲线进行拟合得到闪烁材料样品受激发后ps时间尺度内载流子动态过程函数表达式。
7.根据权利要求6所述的基于激光泵浦探测的闪烁材料瞬态过程表征方法，其特征在于：吸光度衰减曲线拟合方式根据不同闪烁材料瞬态过程的特征采用单指数函数、双指数函数或多指数函数进行拟合。
8.根据权利要求6所述的基于激光泵浦探测的闪烁材料瞬态过程表征方法，其特征在于：在执行所述步骤2时，如果泵浦光有所残留，则在另一个光阴极前利用滤光片滤除残留的泵浦光。
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