CN114047158A - 一种基于太赫兹泵浦-光克尔探测的太赫兹磁光实验系统 - Google Patents
一种基于太赫兹泵浦-光克尔探测的太赫兹磁光实验系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于太赫兹泵浦‑光克尔探测的太赫兹磁光实验系统，包括光学减震平台，所述的太赫兹磁光实验系统整体架构在光学减震平台上，所述飞秒脉冲器产生的飞秒脉冲信号经分光镜后被分成探测光路和泵浦光路，所述检偏模块包括检偏棱镜和步进电机，所述步进电机的主轴为空心贯穿设置，且检偏棱镜安装在步进电机的主轴内部。本发明通过设有的太赫兹发生模块、光路调节模块、起偏模块和检偏模块，有利于精确控制检偏棱镜的方位角，提高光学系统探测的精确度，便于在不同反射角条件下探测样品的克尔角，简化了光学器件的调节过程，便于实际操作。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测领域，特别涉及一种基于太赫兹泵浦-光克尔探测的太赫兹磁光实验系统。
背景技术
激光泵浦-探测技术是利用两束有延时变化的超短激光脉冲序列对样品中发生的一个超快物理过程进行不同时刻的多次探测，其中一束激光脉冲作为泵浦光。用于对样品的热学过程激发或光学过程激发，另一束激光脉冲作为探测光，对样品被泵浦光激发的响应进行探测，飞秒激光器是目前最适合作为泵浦-探测技术的光源，泵浦光和探测光可以来自不同的光源，但常用的一种方法是通常对激光器的出射光进行分束来获得泵浦光和探测光。
为了使样品对探测光的响应很小，不足以影响探测结果，探测光的强度一般远小于泵浦光，大约为泵浦光的1/100，导致在试验过程中探测光很难被探测到，同时又由于探测光和泵浦光常常以不同的入射角聚焦在样品表面，经样品反射后的泵浦光被阻断，而探测光经样品反射后进入光探测器中，由于探测光的强度较低，当改变探测光的入射角时，需要反复调试入射光线路上的起偏棱镜和透镜，以及反射光线路上的检偏棱镜和透镜，才能才探测到探测光，且由于探测光的强度较弱，导致其入射角难以探测，这也给调试器材带来了很大困难。且探测过程受到外界环境的影响很大，外界细微的震动都会增大其探测难度，常见的处理方式是将整个试验系统固定在精密的光学减震平台上，以降低震动的影响程度，但在步进电机驱动检偏镜的过程中，通常是通过齿轮传动系统来进行动力的传递，由于受到步进电机本身制造精度的限制和齿轮传动间的影响，当步进电机运行时，其难免会产生震动，导致反射光线难以被探测到，从而使探测精度降低，为此，我们提出一种基于光泵浦-太赫兹法拉第旋转探测的太赫兹磁光实验系统。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于太赫兹泵浦-光克尔探测的太赫兹磁光实验系统，通过设有的太赫兹发生模块、光路调节模块、起偏模块和检偏模块，有利于精确控制检偏棱镜的方位角，提高光学系统探测的精确度，便于在不同反射角条件下探测样品的克尔角，简化了光学器件的调节过程，便于实际操作，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于太赫兹泵浦-光克尔探测的太赫兹磁光实验系统，包括光学减震平台，所述的太赫兹磁光实验系统整体架构在光学减震平台上，且由太赫兹发生模块、光路调节模块、起偏模块和检偏模块及辅助器材构成，所述太赫兹发生模块包括飞秒脉冲器和分光镜，所述飞秒脉冲器产生的飞秒脉冲信号经分光镜后被分成探测光路和泵浦光路，所述的探测光路上依次设有起偏模块、检偏模块和光电探测器，所述光电探测器的信号输出端连接有A/D转换器，所述A/D转换器连接有控制微机，所述检偏模块包括检偏棱镜和步进电机，所述步进电机的主轴为空心贯穿设置，且检偏棱镜安装在步进电机的主轴内部。
进一步的，所述光路调节模块包括呈圆盘状分布的样品架，所述样品架的内部对称转动连接有调节臂，所述调节臂的内侧端面转动连接有连杆，所述连杆的另一端转动连接有丝杆滑座，所述丝杆滑座内部转动连接有丝杆，所述丝杆下端连接有驱动电机，且驱动电机与控制微机连接。
进一步的，所述起偏模块和检偏模块的外部均由一组可相对滑动且同轴线的伸缩筒构成，所述起偏模块的伸缩筒内部沿光线传播方向依次设有光阑和起偏棱镜，且起偏棱镜可在伸缩筒内部自由转动。
进一步的，所述检偏模块的伸缩筒内部沿光线传播方向依次设有光阑、检偏棱镜和透镜。
进一步的，所述的辅助器材包括用于改变光路传播方向的反射板及其固定装置。
进一步的，所述的泵浦光路传播路线上设置有太赫兹发生器，所述的泵浦光经太赫兹发生器后产生太赫兹脉冲，并通过反射板反射后照射在固定于样品架上端的待测样品表面。
进一步的，所述样品架上端对称安装有电磁铁，所述电磁铁连接有D/A转换器，所述D/A转换器与控制微机连接。
进一步的，所述检偏棱镜安装在步进电机转轴远离样品架的一端，所述步进电机转轴的另一端安装有配重片，且配重片的质量与检偏棱镜的质量相等，所述步进电机通过电机座与调节臂滑动连接。
进一步的，该装置的使用步骤如下：
步骤一，按附图所示将光学器材和辅助器材进行安装并调试，将待测样品固定在样品架中心处，使用测角仪测量两侧调节臂之间的初始夹角值；
步骤二，固定角度调节臂，并使用角度仪测得两侧角度调节臂的初始夹角，由飞秒脉冲器发出的飞秒激光脉冲通过分光镜分成泵浦和探测两路光，泵浦光经反射板反射后进入太赫兹发生器中，借助LiNbO3晶体太赫兹发射技术，利用飞秒脉冲器产生的飞秒脉冲信号经过光栅波前反射后，激发LiNbO3晶体产生太赫兹脉冲，太赫兹脉冲经反射板反射后，穿过位于样品架上侧的透镜后照射在样品表面；
步骤三，由分光镜分成的探测光经过反射板反射后，沿与位于样品架右侧的调节臂平行的状态依次穿过光阑和起偏棱镜后照射在样品表面上，经样品表面反射的探测光沿与位于样品架左侧的调节臂平行的状态通过光阑，然后依次通过检偏棱镜和透镜后进入光电探测器，光电探测器将探测到的光信号通过A/D转换器转换为电信号，控制微机对电信号进行处理后输出光谱图像；
步骤四，通过控制微机设定脉冲数值，并通过驱动器使驱动电机运转，并带动丝杆转动，丝杆带动外侧的滑座沿丝杆的轴向直线移动，从而带动连杆转动，连杆推动调节臂围绕与样品架连接的转动轴转动，改变调节臂之间的夹角值，并获取在此夹角状态下的光谱图像。
本发明具有如下有益效果：
与现有技术相比，通过将步进电机的转轴加工成中空状态，并将检偏棱镜直接与步进电机的转轴一端固定连接，使反射的探测光可以穿透步进电机的转轴直接达到检偏棱镜处，且由步进电机直接驱动检偏棱镜进行转动，不再通过齿轮传动系统进行动力的传递，不仅可以有效避免由传动系统引起的震动影响，同时通过控制步进电机的输入脉冲，有利于精确控制检偏棱镜的方位角，提高光学系统探测的精确度；
与现有技术相比，通过在步进电机转轴的另一端设置与检偏棱镜质量相等的配重片，可以使步进电机转轴两端受力均衡，从而平衡转轴的转矩，使步进电机的转轴运行的更加平稳，从而起到减震的作用；
与现有技术相比，驱动电机带动丝杆转动，丝杆带动外侧的滑座沿丝杆的轴向直线移动，从而带动连杆转动，连杆推动调节臂围绕与样品架连接的转动轴转动，测得两侧角度调节臂的初始夹角后，只需通过控制微机设定驱动器输出的脉冲信号即可实现调节臂之间夹角的精确调节，从而可以快速的确定探测光线的入射角和反射角，同时便于在不同反射角条件下探测样品的克尔角；
与现有技术相比，将入射光路线上的起偏棱镜和辅助光学器件以及反射光路线上的检偏棱镜和辅助光学器件集中安装在可伸缩的伸缩筒内部，不仅便于各光学器件的安装，同时当入射角确定后，无需再大幅度的调节反射光路线上的光学仪器的位置，只需调节检偏棱镜和起偏棱镜的角度，以调节起偏角和检偏角即可，简化了反射光线路上的光学器件的调节过程，便于实际操作；
与现有技术相比，通过设有的太赫兹发生器，借助LiNbO3晶体太赫兹发射技术，利用飞秒脉冲器产生的飞秒脉冲信号经过光栅波前反射后，激发LiNbO3晶体产生太赫兹脉冲，提高了太赫兹时域光谱系统中太赫兹源脉冲的能量，有利于激发和探测待测样品微观粒子的物理特征。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明光路调节模块的结构示意图；
图3为本发明起偏模块的结构示意图；
图4为本发明检偏模块的结构示意图；
图5为本发明步进电机的安装结构示意图；
图6为本发明步进电机的安装结构爆炸图；
图7为本发明太赫兹发生器的内部结构图。
图中：1、光学减震平台；2、太赫兹发生模块；21、飞秒脉冲器；22、分光镜；23、太赫兹发生器；3、光路调节模块；31、样品架；32、调节臂；33、连杆；34、丝杆滑座；35、丝杆；36、驱动电机；4、起偏模块；5、检偏模块；6、光电探测器；7、A/D转换器；8、控制微机；9、伸缩筒；10、光阑；11、起偏棱镜；12、检偏棱镜；13、透镜；14、步进电机；15、反射板；16、电磁铁；17、D/A转换器；18、配重片。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制，为了更好地说明本发明的具体实施方式，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸，对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的，基于本发明中的具体实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他具体实施方式，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1-7所示，一种基于太赫兹泵浦-光克尔探测的太赫兹磁光实验系统，包括光学减震平台1，太赫兹磁光实验系统整体架构在光学减震平台1上，且由太赫兹发生模块2、光路调节模块3、起偏模块4和检偏模块5及辅助器材构成，太赫兹发生模块2包括飞秒脉冲器21和分光镜22，飞秒脉冲器21产生的飞秒脉冲信号经分光镜22后被分成探测光路和泵浦光路，探测光路上依次设有起偏模块4、检偏模块5和光电探测器6，光电探测器6的信号输出端连接有A/D转换器7，A/D转换器7连接有控制微机8，检偏模块5包括检偏棱镜12和步进电机14，步进电机14的主轴为空心贯穿设置，且检偏棱镜12安装在步进电机14的主轴内部。
通过采用上述技术方案：通过将步进电机14的转轴加工成中空状态，并将检偏棱镜12直接与步进电机14的转轴一端固定连接，使反射的探测光可以穿透步进电机14的转轴直接达到检偏棱镜12处，且由步进电机14直接驱动检偏棱镜12进行转动，不再通过齿轮传动系统进行动力的传递，不仅可以有效避免由传动系统引起的震动影响，同时通过控制步进电机14的输入脉冲，有利于精确控制检偏棱镜12的方位角，提高光学系统探测的精确度。
实施例2
如图1-7所示，一种基于太赫兹泵浦-光克尔探测的太赫兹磁光实验系统，包括光学减震平台1，太赫兹磁光实验系统整体架构在光学减震平台1上，且由太赫兹发生模块2、光路调节模块3、起偏模块4和检偏模块5及辅助器材构成，太赫兹发生模块2包括飞秒脉冲器21和分光镜22，飞秒脉冲器21产生的飞秒脉冲信号经分光镜22后被分成探测光路和泵浦光路，探测光路上依次设有起偏模块4、检偏模块5和光电探测器6，光电探测器6的信号输出端连接有A/D转换器7，A/D转换器7连接有控制微机8，检偏模块5包括检偏棱镜12和步进电机14，步进电机14的主轴为空心贯穿设置，且检偏棱镜12安装在步进电机14的主轴内部。
检偏棱镜12安装在步进电机14转轴远离样品架31的一端，所述步进电机14转轴的另一端安装有配重片18，且配重片18的质量与检偏棱镜12的质量相等。
通过采用上述技术方案：通过在步进电机14转轴的另一端设置与检偏棱镜12质量相等的配重片18，可以使步进电机14转轴两端受力均衡，从而平衡转轴的转矩，使步进电机14的转轴运行的更加平稳，从而起到减震的作用。
实施例3
如图1-7所示，一种基于太赫兹泵浦-光克尔探测的太赫兹磁光实验系统，包括光学减震平台1，太赫兹磁光实验系统整体架构在光学减震平台1上，且由太赫兹发生模块2、光路调节模块3、起偏模块4和检偏模块5及辅助器材构成，太赫兹发生模块2包括飞秒脉冲器21和分光镜22，飞秒脉冲器21产生的飞秒脉冲信号经分光镜22后被分成探测光路和泵浦光路，探测光路上依次设有起偏模块4、检偏模块5和光电探测器6，光电探测器6的信号输出端连接有A/D转换器7，A/D转换器7连接有控制微机8，检偏模块5包括检偏棱镜12和步进电机14，步进电机14的主轴为空心贯穿设置，且检偏棱镜12安装在步进电机14的主轴内部。
光路调节模块3包括呈圆盘状分布的样品架31，样品架31的内部对称转动连接有调节臂32，调节臂32的内侧端面转动连接有连杆33，连杆33的另一端转动连接有丝杆滑座34，丝杆滑座34内部转动连接有丝杆35，丝杆35下端连接有驱动电机36，且驱动电机36与控制微机8连接。
样品架31上端对称安装有电磁铁16，电磁铁16连接有D/A转换器17，D/A转换器17与控制微机8连接。
通过采用上述技术方案：驱动电机36带动丝杆35转动，丝杆35带动外侧的丝杆滑座34沿丝杆35的轴向直线移动，从而带动连杆33转动，连杆33推动调节臂32围绕与样品架31连接的转动轴转动，测得两侧调节臂32的初始夹角后，只需通过控制微机8设定驱动器输出的脉冲信号即可实现调节臂32之间夹角的精确调节，从而可以快速的确定探测光线的入射角和反射角，同时便于在不同反射角条件下探测样品的克尔角。
实施例4
如图1-7所示，一种基于太赫兹泵浦-光克尔探测的太赫兹磁光实验系统，包括光学减震平台1，太赫兹磁光实验系统整体架构在光学减震平台1上，且由太赫兹发生模块2、光路调节模块3、起偏模块4和检偏模块5及辅助器材构成，太赫兹发生模块2包括飞秒脉冲器21和分光镜22，飞秒脉冲器21产生的飞秒脉冲信号经分光镜22后被分成探测光路和泵浦光路，探测光路上依次设有起偏模块4、检偏模块5和光电探测器6，光电探测器6的信号输出端连接有A/D转换器7，A/D转换器7连接有控制微机8，检偏模块5包括检偏棱镜12和步进电机14，步进电机14的主轴为空心贯穿设置，且检偏棱镜12安装在步进电机14的主轴内部。
起偏模块4和检偏模块5的外部均由一组可相对滑动且同轴线的伸缩筒9构成，起偏模块4的伸缩筒9内部沿光线传播方向依次设有光阑10和起偏棱镜11，且起偏棱镜11可在伸缩筒9内部自由转动。
检偏模块5的伸缩筒9内部沿光线传播方向依次设有光阑10、检偏棱镜12和透镜13。
辅助器材包括用于改变光路传播方向的反射板15及其固定装置。
通过采用上述技术方案：将入射光路线上的起偏棱镜11和辅助光学器件以及反射光路线上的检偏棱镜12和辅助光学器件集中安装在可伸缩的伸缩筒9内部，不仅便于各光学器件的安装，同时当入射角确定后，无需再大幅度的调节反射光路线上的光学仪器的位置，只需调节检偏棱镜14和起偏棱镜11的角度，以调节起偏角和检偏角即可，简化了反射光线路上的光学器件的调节过程，便于实际操作。
实施例5
如图1-7所示，一种基于太赫兹泵浦-光克尔探测的太赫兹磁光实验系统，包括光学减震平台1，太赫兹磁光实验系统整体架构在光学减震平台1上，且由太赫兹发生模块2、光路调节模块3、起偏模块4和检偏模块5及辅助器材构成，太赫兹发生模块2包括飞秒脉冲器21和分光镜22，飞秒脉冲器21产生的飞秒脉冲信号经分光镜22后被分成探测光路和泵浦光路，探测光路上依次设有起偏模块4、检偏模块5和光电探测器6，光电探测器6的信号输出端连接有A/D转换器7，A/D转换器7连接有控制微机8，检偏模块5包括检偏棱镜12和步进电机14，步进电机14的主轴为空心贯穿设置，且检偏棱镜12安装在步进电机14的主轴内部。
泵浦光路传播路线上设置有太赫兹发生器23，泵浦光经太赫兹发生器23后产生太赫兹脉冲，并通过反射板15反射后照射在固定于样品架31上端的待测样品表面。
通过采用上述技术方案：通过设有的太赫兹发生器23，借助LiNbO3晶体太赫兹发射技术，利用飞秒脉冲器21产生的飞秒脉冲信号经过光栅波前反射后，激发LiNbO3晶体产生太赫兹脉冲，提高了太赫兹时域光谱系统中太赫兹源脉冲的能量，有利于激发和探测待测样品微观粒子的物理特征。
需要说明的是，本发明为一种基于太赫兹泵浦-光克尔探测的太赫兹磁光实验系统，在使用时，按附图所示将光学器材和辅助器材进行安装并调试，将待测样品固定在样品架31中心处，固定调节臂32，并使用角度仪测得两侧调节臂32的初始夹角，由飞秒脉冲器21发出的飞秒激光脉冲通过分光镜22分成泵浦和探测两路光，泵浦光经反射板反射后进入太赫兹发生器23中，借助LiNbO3晶体太赫兹发射技术，利用飞秒脉冲器21产生的飞秒脉冲信号经过光栅波前反射后，激发LiNbO3晶体产生太赫兹脉冲，太赫兹脉冲经反射板15反射后，穿过位于样品架31上侧的透镜后照射在样品表面，由分光镜22分成的探测光经过反射板15反射后，沿与位于样品架31右侧的调节臂32平行的状态依次穿过光阑10和起偏棱镜11后照射在样品表面上，经样品表面反射的探测光沿与位于样品架31左侧的调节臂32平行的状态通过光阑10，然后依次通过检偏棱镜12和透镜后进入光电探测器6，反射的探测光可以穿透步进电机14的转轴直接达到检偏棱镜12处，且由步进电机14直接驱动检偏棱镜12进行转动，不再通过齿轮传动系统进行动力的传递，不仅可以有效避免由传动系统引起的震动影响，同时通过控制步进电机14的输入脉冲，有利于精确控制检偏棱镜12的方位角，提高光学系统探测的精确度，光电探测器6将探测到的光信号通过A/D转换器7转换为电信号，控制微机8对电信号进行处理后输出光谱图像，通过控制微机8设定脉冲数值，并通过驱动器使驱动电机36运转，并带动丝杆35转动，丝杆35带动外侧的丝杆滑座34沿丝杆35的轴向直线移动，从而带动连杆33转动，连杆33推动调节臂32围绕与样品架31连接的转动轴转动，改变调节臂32之间的夹角值，并获取在此夹角状态下的光谱图像。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种基于太赫兹泵浦-光克尔探测的太赫兹磁光实验系统，包括光学减震平台（1），其特征在于：所述的太赫兹磁光实验系统整体架构在光学减震平台（1）上，且由太赫兹发生模块（2）、光路调节模块（3）、起偏模块（4）和检偏模块（5）及辅助器材构成，所述太赫兹发生模块（2）包括飞秒脉冲器（21）和分光镜（22），所述飞秒脉冲器（21）产生的飞秒脉冲信号经分光镜（22）后被分成探测光路和泵浦光路，所述的探测光路上依次设有起偏模块（4）、检偏模块（5）和光电探测器（6），所述光电探测器（6）的信号输出端连接有A/D转换器（7），所述A/D转换器（7）连接有控制微机（8），所述检偏模块（5）包括检偏棱镜（12）和步进电机（14），所述步进电机（14）的主轴为空心贯穿设置，且检偏棱镜（12）安装在步进电机（14）的主轴内部。
2.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹泵浦-光克尔探测的太赫兹磁光实验系统，其特征在于：所述光路调节模块（3）包括呈圆盘状分布的样品架（31），所述样品架（31）的内部对称转动连接有调节臂（32），所述调节臂（32）的内侧端面转动连接有连杆（33），所述连杆（33）的另一端转动连接有丝杆滑座（34），所述丝杆滑座（34）内部转动连接有丝杆（35），所述丝杆（35）下端连接有驱动电机（36），且驱动电机（36）与控制微机（8）连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹泵浦-光克尔探测的太赫兹磁光实验系统，其特征在于：所述起偏模块（4）和检偏模块（5）的外部均由一组可相对滑动且同轴线的伸缩筒（9）构成，所述起偏模块（4）的伸缩筒（9）内部沿光线传播方向依次设有光阑（10）和起偏棱镜（11），且起偏棱镜（11）可在伸缩筒（9）内部自由转动。
4.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹泵浦-光克尔探测的太赫兹磁光实验系统，其特征在于：所述检偏模块（5）的伸缩筒（9）内部沿光线传播方向依次设有光阑（10）、检偏棱镜（12）和透镜（13）。
5.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹泵浦-光克尔探测的太赫兹磁光实验系统，其特征在于：所述的辅助器材包括用于改变光路传播方向的反射板（15）及其固定装置。
6.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹泵浦-光克尔探测的太赫兹磁光实验系统，其特征在于：所述的泵浦光路传播路线上设置有太赫兹发生器（23），所述的泵浦光经太赫兹发生器（23）后产生太赫兹脉冲，并通过反射板（15）反射后照射在固定于样品架（31）上端的待测样品表面。
7.根据权利要求2所述的一种基于太赫兹泵浦-光克尔探测的太赫兹磁光实验系统，其特征在于：所述样品架（31）上端对称安装有电磁铁（16），所述电磁铁（16）连接有D/A转换器（17），所述D/A转换器（17）与控制微机（8）连接。
8.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹泵浦-光克尔探测的太赫兹磁光实验系统，其特征在于：所述检偏棱镜（12）安装在步进电机（14）转轴远离样品架（31）的一端，所述步进电机（14）转轴的另一端安装有配重片（18），且配重片（18）的质量与检偏棱镜（12）的质量相等，所述步进电机（14）通过电机座与调节臂（32）滑动连接。
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