CN113588620B - 一种超低温杜瓦系统的磁光和拉曼联合测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及现代分析测量技术领域,特别提供提供了一种超低温杜瓦系统的磁光和拉曼联合测量系统,包括:激光器、机械斩波器、输入光路、第一非偏振分束镜、第二非偏振分束镜、照明光路、第三非偏振分束镜、倾斜杜瓦观察窗、反馈光路、CCD电子目镜、第四非偏振分束镜、1/2波片、沃拉斯顿棱镜、平衡光电二极管、反光镜和光纤耦合器、锁相放大器、拉曼谱仪与主控电脑;通过各原件及支路的合理设置,克服了光照强度,远距离成像等难点,可实现成像的同时进行磁光和拉曼测量,对超低温下研究二维材料物理性质提供了前沿的测量平台。
Description
技术领域
本发明涉及现代分析测量技术领域,特别提供一种超低温杜瓦系统的磁光和拉曼联合测量系统。
背景技术
激光是现代分析测量技术的有力探测手段,其优异物理特性使激光在与样品的作用中可获得多种有用信息。经过线性极化的激光垂直入射于样品表面时,具有垂直磁各向异性的样品会使其偏振面发生偏转,使反射光成为椭圆偏振光,使用相互成接近90度角的起偏器和检偏器就可在出光口获得光通量被磁化强度调制的光信号,这就是极化的磁光克尔效应。利用个这一效应搭配磁体进行磁场扫描测量就可获得磁滞回线信号,用以研究样品的自发磁化。而另一激光分析测量的重要技术是拉曼光谱,利用激光与分子转动、振动能级之间的能量转移形成的特征光谱来分析化合物性质的有效手段。对于快速发展的范德瓦尔斯晶体,即二维材料,探索其不同温度下的磁性与拉曼谱特征对于凝聚态物理和研究下一代基于二维材料的电子技术具有重要意义。然而,目前的磁光或拉曼测量系统普遍利用紧凑光路减小照明光源和激光光源受环境干扰的同时,无法兼顾超低温获取所使用的大型杜瓦,特别是照明光路容易引入光路周边元件反射引入的光污染。如果采用光纤引入杜瓦,又不可避免会导致偏振度的损失影响磁光测量的结果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超低温杜瓦系统的磁光和拉曼联合测量系统,通过采用同一激光光源利用扩束镜和多维度光束调整来对准激光,利用低成本的长焦距高亮度照明光系统进行样品照明以及采用倾斜观察窗以解决成像中的光污染问题,使得我们设计的测量系统可实现在清晰视野下搜索感兴趣区并完成磁光和拉曼物性表征的功能。在完成以上功能的同时,保持光学器件的紧凑组合,减小振动造成的干扰。
本发明技术方案如下:
本发明提供了一种超低温杜瓦系统的磁光和拉曼联合测量系统,包括:激光器、机械斩波器、输入光路、第一非偏振分束镜、第二非偏振分束镜、照明光路、第三非偏振分束镜、倾斜杜瓦观察窗、反馈光路、CCD电子目镜、第四非偏振分束镜、1/2波片、沃拉斯顿棱镜、平衡光电二极管、反光镜和光纤耦合器、锁相放大器、拉曼谱仪与主控电脑;
激光器、机械斩波器、输入光路、第一非偏振分束镜、第二非偏振分束镜、第三非偏振分束镜、倾斜杜瓦观察窗、反馈光路沿激光输入方向依次设置;
照明光路输出的照明光输入至第二非偏振分束镜,并通过第二非偏振分束镜使照明光沿激光输入方向前进;CCD电子目镜设置在第三非偏振分束镜其中的一个输出方向上;
沿第一非偏振分束镜反馈激光输出方向设置第四非偏振分束镜,第四非偏振分束镜的其中一个输出方向上依次设置1/2波片、沃拉斯顿棱镜和平衡光电二极管;第四非偏振分束镜的另一个输出方向上依次设置第三反光镜和光纤耦合器;
机械斩波器与机械斩波器控制器控制端通过电信号连接,机械斩波器控制器 参考输出与锁相放大器参考输入通过电信号连接,平衡光电二极管和锁相放大器输入通过电信号连接,光纤耦合器和拉曼谱仪通过电信号连接,CCD电子目镜、锁相放大器、拉曼谱仪与主控电脑均通过电信号连接。
具体地,机械斩波器将连续激光调制成周期方波,为锁相放大器提供周期性信号和参考输入。倾斜观察窗利用光束经过厚度一致镜面角度不变的性质,将镜面反射光偏离主光轴消减反射光污染。沃拉斯顿棱镜将出射激光分解为方向成锐角,偏振面互相垂直的两束光。1/2 波片可使出射光的偏振面沿波片轴方向转动,置于沃拉斯顿棱镜之前配合使用可获得两束平行于光学平台平面且光通量近似相等的光束。平衡光电二极管用于获取通过沃拉斯顿棱镜的两束光所形成的差分信号并进行放大,转化为电压信号作为锁相放大器的输入信号。锁相放大器将输入信号与机械斩波器提供的参考信号做对比则可获得高信噪比的磁光信号。光纤耦合器通过非球面透镜将自由光路出射激光汇聚传输至单模光纤中并传输至拉曼谱谱仪获得拉曼信号。
进一步地,激光器、机械斩波器、输入光路、第一非偏振分束镜、第二非偏振分束镜、照明光路、第四非偏振分束镜、1/2波片、沃拉斯顿棱镜、平衡光电二极管、反光镜和光纤耦合器均设置在光学平台上,光学平台置于杜瓦容器顶部;第三非偏振分束镜与CCD电子目镜、设置在杜瓦瓶中心光路真空外侧,倾斜杜瓦观察窗设置在杜瓦中心光路真空和大气环境交界面,反馈光路设置在杜瓦中心光路真空环境中。
具体地,机械斩波器与机械斩波器控制器控制端通过控制线连接,机械斩波器控制器 参考输出与锁相放大器参考输入通过BNC同轴电缆连接,平衡光电二极管和锁相放大器输入通过BNC同轴电缆连接,光纤耦合器和拉曼谱仪通过单模光纤连接,CCD电子目镜、锁相放大器、拉曼谱仪与主控电脑通过USB数据线连接。
进一步地,输入光路包括沿激光输入方向依次设置的第一反光镜、扩束镜、垂直方向光束平移镜、第二反光镜和格兰泰勒棱镜。
具体地,格兰泰勒棱镜将激光起偏为纯净的线偏振光。进一步地,照明光路包括沿照明光输入方向依次设置的白光LED、第一可调小孔光阑、第二可调小孔光阑和平凸透镜。
具体地,长焦距照明光源使用高亮度白光LED发出的光,经过两重小孔光阑约束,再经过薄平凸透镜聚焦获得像平面可调的聚焦光束用于样品环境照明。
进一步地,反馈光路包括沿激光输入方向依次设置的低温物镜和扫描样品台。
本发明可以在光路通过稀释制冷机的多层镀金隔热层时散射、反射光污染最小化,独立调控照明光和探测光,从而获得高灵敏度的选区磁光以及拉曼测量结果。本发明采用同一束激光对超低温杜瓦内微区样品的磁光信号和拉曼信号进行了测量,这一方法利用倾斜观察窗口和可聚焦的LED光源解决了光路散射和反射光污染的问题,利用扩束镜和位置微调机构解决了激光在长距离自由光路中的对准聚焦问题,能够得到样品的磁性与结构信息。
附图说明
图1为本发明所述的超低温杜瓦系统的磁光和拉曼联合测量系统示意图。
附图标记:1-激光器;2-机械斩波器;3-第一反光镜;4-扩束镜; 5-垂直方向光束平移镜;6-第二反光镜;7-格兰泰勒棱镜;8-第一非偏振分束镜;9-第二非偏振分束镜;10-白光LED;11-第一可调小孔光阑;12-第二可调小孔光阑;13-平凸透镜;14-第三非偏振分束镜; 15-倾斜杜瓦观察窗;16-杜瓦光路最窄处;17-低温物镜;18-扫描样品台;19-CCD电子目镜;20-第四非偏振分束镜;21-1/2波片;22- 沃拉斯顿棱镜;23-平衡光电二极管;24-第三反光镜;25-光纤耦合器; 26-机械斩波器控制器;27-锁相放大器;28-拉曼谱仪;29-主控电脑。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种超低温杜瓦系统的磁光和拉曼联合测量系统,参见图1,包括:激光器1、机械斩波器2、输入光路、第一非偏振分束镜8、第二非偏振分束镜9、照明光路、第三非偏振分束镜 14、倾斜杜瓦观察窗15、反馈光路、CCD电子目镜19、第四非偏振分束镜20、1/2波片21、沃拉斯顿棱镜22、平衡光电二极管23、反光镜24和光纤耦合器25、锁相放大器27、拉曼谱仪28与主控电脑 29;
激光器1、机械斩波器2、输入光路、第一非偏振分束镜8、第二非偏振分束镜9、第三非偏振分束镜14、倾斜杜瓦观察窗15、反馈光路沿激光输入方向依次设置;
照明光路输出的照明光输入至第二非偏振分束镜9,并通过第二非偏振分束镜9使照明光沿激光输入方向前进;CCD电子目镜19设置在第三非偏振分束镜14其中的一个输出方向上;
沿第一非偏振分束镜8反馈激光输出方向设置第四非偏振分束镜20,第四非偏振分束镜20的其中一个输出方向上依次设置1/2波片21、沃拉斯顿棱镜22和平衡光电二极管23;第四非偏振分束镜 20的另一个输出方向上依次设置反光镜24和光纤耦合器25;
机械斩波器2与机械斩波器控制器26控制端通过电信号连接,机械斩波器控制器26参考输出与锁相放大器27参考输入通过电信号连接,平衡光电二极管23和锁相放大器27输入通过电信号连接,光纤耦合器25和拉曼谱仪28通过电信号连接,CCD电子目镜19、锁相放大器27、拉曼谱仪28与主控电脑29均通过电信号连接。
具体地,机械斩波器2将连续激光调制成周期方波,为锁相放大器27提供周期性信号和参考输入。倾斜观察窗25利用光束经过厚度一致镜面角度不变的性质,将镜面反射光偏离主光轴消减反射光污染。沃拉斯顿棱镜22将出射激光分解为方向成锐角,偏振面互相垂直的两束光。1/2波片21可使出射光的偏振面沿波片轴方向转动,置于沃拉斯顿棱镜22之前配合使用可获得两束平行于光学平台平面且光通量近似相等的光束。平衡光电二极管23用于获取通过沃拉斯顿棱镜22的两束光所形成的差分信号并进行放大,转化为电压信号作为锁相放大器的输入信号。锁相放大器27将输入信号与机械斩波器 2提供的参考信号做对比则可获得高信噪比的磁光信号。光纤耦合器 25通过非球面透镜将自由光路出射激光汇聚传输至单模光纤中并传输至拉曼谱谱仪28获得拉曼信号。
进一步地,激光器1、机械斩波器2、输入光路、第一非偏振分束镜8、第二非偏振分束镜9、照明光路、第四非偏振分束镜20、1/2 波片21、沃拉斯顿棱镜22、平衡光电二极管23、反光镜24和光纤耦合器25均设置在光学平台上,光学平台置于杜瓦容器顶部;第三非偏振分束镜14与CCD电子目镜19、设置在杜瓦瓶中心光路真空外侧,倾斜杜瓦观察窗15设置在杜瓦中心光路真空和大气环境交界面,反馈光路设置在杜瓦中心光路真空环境中。
具体地,机械斩波器2与机械斩波器控制器26控制端通过控制线连接,机械斩波器控制器 26参考输出与锁相放大器27参考输入通过BNC 同轴电缆连接,平衡光电二极管23和锁相放大器27输入通过BNC 同轴电缆连接,光纤耦合器25和拉曼谱仪28通过单模光纤连接, CCD电子目镜19、锁相放大器27、拉曼谱仪28与主控电脑29通过USB数据线连接。
进一步地,输入光路包括沿激光输入方向依次设置的第一反光镜 3、扩束镜4、垂直方向光束平移镜5、第二反光镜6和格兰泰勒棱镜 7。
具体地,格兰泰勒棱镜7将激光起偏为纯净的线偏振光。进一步地,照明光路包括沿照明光输入方向依次设置的白光LED10、第一可调小孔光阑11、第二可调小孔光阑12和平凸透镜13。
具体地,长焦距照明光源使用高亮度白光LED10发出的光,经过两重小孔光阑约束,再经过薄平凸透镜13聚焦获得像平面可调的聚焦光束用于样品环境照明。
进一步地,反馈光路包括沿激光输入方向依次设置的杜瓦光路最窄处16、低温物镜17和扫描样品台18。
应用所述磁光和拉曼联合测量光路的方法具体如下:
1)激光器1发射中心波长532nm的激光,光束中光谱线宽小于 1nm,激光功率100-300mW,光束直径1mm;
2)调整扩束镜4扩束倍率与焦距,将激光扩束至直径与低温物镜17入光孔直径相同的平行光束;
3)通过垂直方向光束平移镜5和第二反光镜6的位置调节,令激光束对准杜瓦中心光路;
4)调整格兰泰勒棱镜7的偏振面方向,使激光光通量达到最大;
5)打开白光LED10,调整第一可调小孔光阑11和第二可调小孔光阑12的通孔尺寸,调整焦距为300mm的平凸透镜13到白光LED10 的距离,根据透镜成像公式1/u(物距)+1/v(像距)=1/f(透镜焦距),此距离应大于300mm,小于400mm,具体距离以将白光LED10的像成在杜瓦光路最窄处16为准;
6)调整扫描样品台18位置,扫描样品台18由机械和压电平移器驱动,改变高度进行对焦后,在CCD电子目镜19处获得样品和激光斑点的清晰影像,此时微调扩束镜4的焦距,使激光光斑达到最小,对扫描样品台18进行水平位移,使激光光斑位于感兴趣的待测样品区域;
7)反馈激光携带样品信息经第三非偏振分束镜14、第二非偏振分束镜9、第一非偏振分束镜8、第四非偏振分束镜20到达1/2波片 21,通过调整波片光轴角度,使沃拉斯顿棱镜22将激光分成光通量相同的两束到达平衡光电二极管23,使锁相放大器27获得的输入信号在0附近,进行磁场扫描即可获得磁光磁滞回线;
8)反馈激光携带样品信息经第三非偏振分束镜14、第二非偏振分束镜9、第一非偏振分束镜8、第四非偏振分束镜20和第三反光镜 24到达光纤耦合器25,激光色散谱经拉曼谱仪28分析后将数据传送到主控电脑29。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种超低温杜瓦系统的磁光和拉曼联合测量系统,其特征在于,包括:激光器(1)、机械斩波器(2)、输入光路、第一非偏振分束镜(8)、第二非偏振分束镜(9)、照明光路、第三非偏振分束镜(14)、倾斜杜瓦观察窗(15)、反馈光路、CCD电子目镜(19)、第四非偏振分束镜(20)、1/2波片(21)、沃拉斯顿棱镜(22)、平衡光电二极管(23)、反光镜(24)和光纤耦合器(25)、锁相放大器(27)、拉曼谱仪(28)与主控电脑(29);
激光器(1)、机械斩波器(2)、输入光路、第一非偏振分束镜(8)、第二非偏振分束镜(9)、第三非偏振分束镜(14)、倾斜杜瓦观察窗(15)、反馈光路沿激光输入方向依次设置;
照明光路输出的照明光输入至第二非偏振分束镜(9),并通过第二非偏振分束镜(9)使照明光沿激光输入方向前进;CCD电子目镜(19)设置在第三非偏振分束镜(14)其中的一个输出方向上;
沿第一非偏振分束镜(8)反馈激光输出方向设置第四非偏振分束镜(20),第四非偏振分束镜(20)的其中一个输出方向上依次设置1/2波片(21)、沃拉斯顿棱镜(22)和平衡光电二极管(23);第四非偏振分束镜(20)的另一个输出方向上依次设置反光镜(24)和光纤耦合器(25);
机械斩波器(2)与机械斩波器控制器(26)控制端通过电信号连接,机械斩波器控制器(26)参考输出与锁相放大器(27)参考输入通过电信号连接,平衡光电二极管(23)和锁相放大器(27)输入通过电信号连接,光纤耦合器(25)和拉曼谱仪(28)通过电信号连接,CCD电子目镜(19)、锁相放大器(27)、拉曼谱仪(28)与主控电脑(29)均通过电信号连接;
激光器(1)、机械斩波器(2)、输入光路、第一非偏振分束镜(8)、第二非偏振分束镜(9)、照明光路、第四非偏振分束镜(20)、1/2波片(21)、沃拉斯顿棱镜(22)、平衡光电二极管(23)、反光镜(24)和光纤耦合器(25)均设置在光学平台上,光学平台置于杜瓦容器顶部;第三非偏振分束镜(14)与CCD电子目镜(19)、设置在杜瓦瓶中心光路真空外侧,倾斜杜瓦观察窗(15)设置在杜瓦中心光路真空和大气环境交界面,反馈光路设置在杜瓦中心光路真空环境中。
2.根据权利要求1所述超低温杜瓦系统的磁光和拉曼联合测量系统,其特征在于:输入光路包括沿激光输入方向依次设置的第一反光镜(3)、扩束镜(4)、垂直方向光束平移镜(5)、第二反光镜(6)和格兰泰勒棱镜(7)。
3.根据权利要求1所述超低温杜瓦系统的磁光和拉曼联合测量系统,其特征在于:照明光路包括沿照明光输入方向依次设置的白光LED(10)、第一可调小孔光阑(11)、第二可调小孔光阑(12)和平凸透镜(13)。
4.根据权利要求1所述超低温杜瓦系统的磁光和拉曼联合测量系统,其特征在于:反馈光路包括沿激光输入方向依次设置的低温物镜(17)和扫描样品台(18)。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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