CN115493695A - 微区瞬态吸收光谱测量系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种微区瞬态吸收光谱测量系统，包括：测量光源；第一半透半反镜，接收光束后分光；激发光路，包括光参量放大器和第一聚焦透镜，垂直光束经光参量放大器和第一聚焦透镜后聚焦于待测样品；探测光路，包括第二聚焦透镜、非线性晶体、第一带通滤光片、第一离轴抛物面反射镜和第二离轴抛物面反射镜，水平光束经第二聚焦透镜、非线性晶体、第一带通滤光片、第一离轴抛物面反射镜和第二离轴抛物面反射镜聚焦于待测样品；测量组件，包括准直透镜和光谱仪，聚焦探测光透过待测样品后，经准直透镜进入光谱仪中测量。本申请的微区瞬态吸收光谱测量系统基于离轴抛物面反射镜，适用于入射光斑面积大、光谱范围宽的入射光束，且可显著降低成本。

Description

微区瞬态吸收光谱测量系统

技术领域

本申请涉及光学测量设备领域，尤其涉及到一种微区瞬态吸收光谱测量系统。

背景技术

随着飞秒激光技术的日趋成熟和广泛应用，测量物质在飞秒至皮秒量级的瞬态光学吸收是目前物理学、材料学、化学以及生物学的重要研究手段。例如：利用瞬态吸收光谱技术研究二维过渡金属硫化物(TMDs)中的激子动理学过程，层间电荷转移过程，激子的能级精细结构等。目前的瞬态吸收光谱系统可以实现宽光谱、微米空间分辨率的瞬态吸收光谱的测量。

传统的微区瞬态吸收光谱系统主要基于显微物镜将探测光聚焦成为微米量级的光斑，实现微米量级的空间分辨率。这一方法存在以下技术问题：

1、由于一般的显微物镜都为透射光学元件，需要蒸镀相应的光学增透膜，因此只能支持某一个比较窄波段的光通过，其他波段的光通过显微物镜时会有较大损失甚至是不能通过显微物镜。且白光这类宽光谱波段的光通过透射光学元件时会引入色散，降低瞬态吸收光谱测量时的时间分辨率。

2、若想获得微米量级的聚焦光斑，所需的显微物镜工作距离都非常短，普通显微物镜的工作距离为毫米量级，长工作距离的显微物镜为十几毫米。这就导致显微物镜距离测量样品距离很近，限制了很多场合的应用，例如低温环境、真空环境等。

3、大部分的显微物镜的入射孔径较小，这要求入射光的直径不能太大，因此，在光通过显微物镜之前，需要将其缩小到合适的尺寸，以便完全通过显微物镜。

4、显微物镜价格昂贵，单价一般在几万到十几万元不等。

在所述背景技术部分，公开的上述信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术信息。

发明内容

本申请的至少一实施例提供一种微区瞬态吸收光谱测量系统。微区瞬态吸收光谱测量系统包括：测量光源、第一半透半反镜、激发光路、探测光路和测量组件。

所述第一半透半反镜接收所述测量光源发出的测量光束后分光为水平光束和垂直光束。

所述激发光路包括光参量放大器和第一聚焦透镜，所述垂直光束经所述光参量放大器改变光波长后，由所述第一聚焦透镜聚焦于待测样品并对待测样品进行激发。

所述探测光路包括第二聚焦透镜、非线性晶体、第一带通滤光片、第一离轴抛物面反射镜和第二离轴抛物面反射镜，所述水平光束经所述第二聚焦透镜聚焦于所述非线性晶体后产生超连续光，所述超连续光经所述第一带通滤光片过滤后形成探测光，所述探测光经所述第一离轴抛物面反射镜反射形成平行探测光，所述平行探测光经所述第二离轴抛物面反射镜反射形成聚焦探测光并聚焦于所述待测样品。

所述测量组件包括准直透镜和光谱仪，所述聚焦探测光透过所述待测样品后，由所述准直透镜准直为平行测量光并进入所述光谱仪中测量光谱。

根据本申请的一些实施例，所述微区瞬态吸收光谱测量系统还包括：成像组件，包括显微物镜、第二半透半反镜、成像光源、成像透镜和CCD；其中，所述成像光源发出的成像光束经过所述第二半透半反镜后进入所述显微物镜，所述显微物镜将接收到的入射光聚焦于所述待测样品，所述待测样品将光束反射后依次经过所述显微物镜、所述第二半透半反镜和所述成像透镜，并成像于所述CCD。

根据本申请的一些实施例，所述微区瞬态吸收光谱测量系统还包括：翻转镜架，所述成像组件与所述翻转镜架耦接，通过移动所述翻转镜架能够将所述成像组件移进或移出光路。

根据本申请的一些实施例，所述激发光路还包括：斩波器，设置于所述光参量放大器和所述第一聚焦透镜之间，所述斩波器用于将连续的光束调制成固定频率的光束。

根据本申请的一些实施例，所述激发光路还包括：第一反射镜阵列，设置于所述光参量放大器和所述第一聚焦透镜之间，所述垂直光束经所述光参量放大器改变光波长后，经由所述第一反射镜阵列反射至所述第一聚焦透镜。

根据本申请的一些实施例，所述激发光路还包括：所述探测光路还包括：光延迟组件，包括第二反射镜阵列，设置于所述第一半透半反镜和所述第二聚焦透镜之间。

根据本申请的一些实施例，所述光延迟组件还包括驱动器，所述驱动器与所述第二反射镜阵列耦接，用于调整所述第二反射镜阵列的位置。

根据本申请的一些实施例，所述探测光路还包括：扩束准直组件，包括第三离轴抛物面反射镜和第四离轴抛物面反射镜，设置于所述第二离轴抛物面反射镜和所述待测样品之间，所述探测光依次经过所述第一离轴抛物面反射镜、所述第二离轴抛物面反射镜、所述第三离轴抛物面反射镜和所述第四离轴抛物面反射镜调整后聚焦于所述待测样品。

根据本申请的一些实施例，所述测量组件还包括：第二带通滤光片，所述聚焦探测光透过所述待测样品后，由所述准直透镜准直为平行测量光，并经由所述第二带通滤光片过滤后进入所述光谱仪中测量光谱。

根据本申请的一些实施例，所述第一离轴抛物面反射镜和/或所述第二离轴抛物面反射镜的焦斑半径为：

其中，r是焦斑半径，λ是入射光波长，f是焦距，R是入射光的光斑半径。

本申请的微区瞬态吸收光谱测量系统基于离轴抛物面反射镜搭建，与传统的利用显微物镜实现微区探测的方法相比，离轴抛物面反射镜克服了显微物镜带来的一系列问题，适用于入射光斑面积大、光谱范围宽的入射光束，且离轴抛物面反射镜的价格便宜，可显著降低成本。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出根据本申请示例实施例的微区瞬态吸收光谱测量系统的结构示意图。

图2示出根据本申请一些实施例的微区瞬态吸收光谱测量系统的结构示意图。

图3示出根据本申请另一实施例的微区瞬态吸收光谱测量系统的结构示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本申请将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本申请的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本申请的技术方案而没有这些特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方式、组元、材料、装置或等。在这些情况下，将不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

传统的微区瞬态吸收光谱系统主要基于显微物镜将探测光聚焦成为微米量级的光斑，实现微米量级的空间分辨率。这一方法存在以下技术问题：

1、由于一般的显微物镜都为透射光学元件，需要蒸镀相应的光学增透膜，因此只能支持某一个比较窄波段的光通过，其他波段的光通过显微物镜时会有较大损失甚至是不能通过显微物镜。且白光这类宽光谱波段的光通过透射光学元件时会引入色散，降低瞬态吸收光谱测量时的时间分辨率。

2、若想获得微米量级的聚焦光斑，所需的显微物镜工作距离都非常短，普通显微物镜的工作距离为毫米量级，长工作距离的显微物镜为十几毫米。这就导致显微物镜距离测量样品距离很近，限制了很多场合的应用，例如低温环境、真空环境等。

3、大部分的显微物镜的入射孔径较小，这要求入射光的直径不能太大，因此，在光通过显微物镜之前，需要将其缩小到合适的尺寸，以便完全通过显微物镜。

4、显微物镜价格昂贵，单价一般在几万到十几万元不等。

本申请的发明人发现，可以基于离轴抛物面反射镜搭建微区瞬态吸收光谱测量系统，与传统的利用显微物镜实现微区探测的方法相比，离轴抛物面反射镜克服了显微物镜带来的一系列问题，适用于入射光斑面积大、光谱范围宽的入射光束，且离轴抛物面反射镜的价格便宜，可显著降低成本。

离轴抛物面镜是搭建太赫兹光路和红外光路的常用元件之一，其基于几何学抛物面的原理，可以把平行入射的准直光束/准直THz波聚焦到焦点上，也能够把点光源发出的太赫兹波或红外光转换为平行传输的光束。离轴反射镜的英文名称为Off Axis ParabolicMirror，简称OAP，基底材料一般为金属铝，采用精密金属刀具进行表面加工，因此离轴高反抛物面镜都是利用反射的原理工作，可以消除透射光学元件的位相延迟和吸收损耗。

下面将参照附图，对根据本申请实施例的微区瞬态吸收光谱测量系统进行详细说明。

图1示出根据本申请示例实施例的微区瞬态吸收光谱测量系统的结构示意图。

参见图1，示例实施例的微区瞬态吸收光谱测量系统包括测量光源110、第一半透半反镜120、激发光路130、探测光路140、测量组件150和成像组件160。

如图1所示，第一半透半反镜120接收测量光源110发出的测量光束后分光为水平光束和垂直光束。

激发光路130包括光参量放大器131和第一聚焦透镜132，第一半透半反镜120分光得到的垂直光束经光参量放大器131改变光波长后，由第一聚焦透镜132聚焦于待测样品200并对待测样品200进行激发。

探测光路140包括第二聚焦透镜141、非线性晶体142、第一带通滤光片143、第一离轴抛物面反射镜144和第二离轴抛物面反射镜145。水平光束经第二聚焦透镜141聚焦于非线性晶体142后产生超连续光。超连续光经第一带通滤光片143过滤后形成探测光，探测光经第一离轴抛物面反射镜144反射形成平行探测光。平行探测光经第二离轴抛物面145反射镜反射形成聚焦探测光并聚焦于待测样品200。

其中，非线性晶体142可以被配置为任意测量微区瞬态吸收光谱所需的非线性晶体。可选地，非线性晶体142为蓝宝石晶体，由于光学非线性效应，水平光束经过蓝宝石晶体后会产生超连续的白光。

测量组件150包括准直透镜151和光谱仪152，聚焦探测光透过待测样品200后，由准直透镜151准直为平行测量光并进入光谱仪152中测量光谱。

成像组件160包括显微物镜161、第二半透半反镜162、成像光源163、成像透镜164和CCD 165(charge coupled device，电荷耦合器件)。

其中，成像光源163发出的成像光束经过第二半透半反镜162后进入显微物镜161，显微物镜161将接收到的入射光聚焦于待测样品200。待测样品200将光束反射后依次经过显微物镜161、第二半透半反镜162和成像164透镜，并最终成像于CCD 165。

通过成像组件160的设置状态，可以实现对待测样品200表面的观察。而当探测光经过第一离轴抛物面反射镜144和第二离轴抛物面反射镜145聚焦于待测样品200表面时，显微物镜161在观察待测样品200表面的同时也可以观察到探测光的焦斑，从而确定焦斑的形状和大小。

可选地，以第二离轴抛物面反射镜145的焦距76mm、直径为50mm为例，在实际应用的过程中，会对离轴抛物面反射镜表面镀有紫外增强铝膜。根据焦斑半径公式可以计算出探测光经过第二离轴抛物面反射镜145后的焦斑尺寸，即第二离轴抛物面反射镜145的焦斑半径为：

其中，r是焦斑半径，λ是入射光波长，f是焦距，R是入射光的光斑半径。

可以将离轴抛物面反射镜和常规的显微物镜之间进行对比，具体得到的对比结果如下表所示：

从表格中可以看到，离轴抛物面反射镜显著克服了显微物镜工作距离短以及入瞳直径小的缺点。且在350nm～980nm波段范围内的反射率均大于75％。不仅如此，显微物镜的透过率在超过可见光范围内会逐渐下降，若需要在紫外或红外波段拥有较高的透过率，则需要更换显微物镜。

此外，离轴抛物面反射镜不会引入光学色散，而显微物镜由于是透射光学元件，白光经过显微物镜时由于不同波长的光的折射率不同，将引入色散。因此，相比于显微物镜，离轴抛物面反射镜非常适合用于聚焦白光这类宽光谱的光源，实现微区瞬态吸收光谱的测量。

可选地，测量光源110被配置为商业化的飞秒激光器。

可以理解的是，水平光束、垂直光束与激发光路、探测光路之间的对应的关系可以根据光路的设置状态进行对调，本申请于此不做具体对应限制。

图2示出根据本申请一些实施例的微区瞬态吸收光谱测量系统的结构示意图。

参见图2，一些实施例的微区瞬态吸收光谱测量系统包括测量光源110、第一半透半反镜120、激发光路130、探测光路140、测量组件150、成像组件160和翻转镜架170。

如图2所示，第一半透半反镜120接收测量光源110发出的测量光束后分光为水平光束和垂直光束。

激发光路130包括光参量放大器131、第一聚焦透镜132、斩波器133和第一反射镜阵列134。垂直光束经过商业化的光参量放大器131后，光波长会发生改变，通过设置参数可以获得实验中所需要光波长。这一路飞秒激光作为泵浦激光，泵浦激光经过斩波器133后，再经过第一反射镜阵列134和第一聚焦透镜132后入射到待测样品200的表面，对样品进行激发。

其中，斩波器133设置于光参量放大器131和第一反射镜阵列134之间，用于将连续的光束调制成固定频率的光束。第一反射镜阵列134用于将经由斩波器133调制后的光束反射至第一聚焦透镜132。

根据光路的设置状态，第一反射镜阵列134可以被配置为具有任意数量的反射镜，对激发光束进行反射传递。可选地，第一反射镜阵列134包括三个反射镜。

探测光路140包括第二聚焦透镜141、非线性晶体142、第一带通滤光片143、第一离轴抛物面反射镜144、第二离轴抛物面反射镜145和光延迟组件146。

水平光束会先入射至光延迟组件146中，经过光延迟组件146的延迟后再经第二聚焦透镜141聚焦于非线性晶体142后产生超连续光。超连续光经第一带通滤光片143过滤后形成探测光，探测光经第一离轴抛物面反射镜144反射形成平行探测光。平行探测光经第二离轴抛物面145反射镜反射形成聚焦探测光并聚焦于待测样品200。

其中，光延迟组件146可以被配置为任意能使得水平光束的入射时刻进行延迟的光学组件，通过光延迟组件146的调整，可以改变激发光路和探测光路之间的时间延迟，从而获得不同时刻的瞬态吸收光谱。

可选地，光延迟组件146包括第二反射镜阵列1461和驱动器1462。光延迟组件146设置于第一半透半反镜120和第二聚焦透镜141之间，驱动器1462与第二反射镜阵列1461耦接，用于便捷地调整第二反射镜阵列1461的位置状态。通过驱动器1462的调整，可以实现对于光延迟组件146的延迟效果的便捷调整。可以根据测量者的需求，通过调整获得不同时刻的瞬态吸收光谱。

成像组件160包括显微物镜161、第二半透半反镜162、成像光源163、成像透镜164、CCD 165和成像反射镜166。

其中，成像光源163发出的成像光束经过第二半透半反镜162和成像反射镜166后进入显微物镜161，显微物镜161将接收到的入射光聚焦于待测样品200。待测样品200将光束反射后依次经过显微物镜161、成像反射镜166、第二半透半反镜162和成像164透镜，并最终成像于CCD 165。

翻转镜架170与成像组件160耦接，通过移动翻转镜架170能够将成像组件160移进或移出光路。当成像组件160移进光路中，则可以将测量组件150移出光路，从而使得微区瞬态吸收光谱测量系统的成像和测量功能互不干扰。同理，当成像组件160移出光路中，则可以将测量组件150移进光路。

测量组件150包括准直透镜151、光谱仪152和第二带通滤光片153，聚焦探测光透过待测样品200后，由准直透镜151准直为平行测量光，并经由第二带通滤光片153过滤后进入光谱仪152中测量光谱。

图3示出根据本申请另一实施例的微区瞬态吸收光谱测量系统的结构示意图。

参见图3，另一实施例的微区瞬态吸收光谱测量系统包括光源110、第一半透半反镜120、激发光路130、探测光路140、测量组件150、成像组件160和翻转镜架170。

与图2所示实施例的微区瞬态吸收光谱测量系统不同的是，探测光路140包括第二聚焦透镜141、非线性晶体142、第一带通滤光片143、第一离轴抛物面反射镜144、第二离轴抛物面反射镜145、光延迟组件146和扩束准直组件147。

其中，扩束准直组件147包括第三离轴抛物面反射镜1471和第四离轴抛物面反射镜1472，扩束准直组件147设置于第一离轴抛物面反射镜144和第二离轴抛物面反射镜145之间。探测光依次经过第一离轴抛物面反射镜144、第三离轴抛物面反射镜1471、第四离轴抛物面反射镜1472和第二离轴抛物面反射镜145调整后聚焦于待测样品200。

通过在探测光路140中加入扩束准直组件147，可以增加入射到第二离轴抛物面反射镜145上的光斑的尺寸，从而可以进一步在待测样品200上获得更小尺寸的焦斑。

以上具体地示出和描述了本申请的示例性实施例。应可理解的是，本申请不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本申请意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (10)

1.一种微区瞬态吸收光谱测量系统，其特征在于，包括：

测量光源；

第一半透半反镜，接收所述测量光源发出的测量光束后分光为水平光束和垂直光束；

激发光路，包括光参量放大器和第一聚焦透镜，所述垂直光束经所述光参量放大器改变光波长后，由所述第一聚焦透镜聚焦于待测样品并对待测样品进行激发；

探测光路，包括第二聚焦透镜、非线性晶体、第一带通滤光片、第一离轴抛物面反射镜和第二离轴抛物面反射镜，所述水平光束经所述第二聚焦透镜聚焦于所述非线性晶体后产生超连续光，所述超连续光经所述第一带通滤光片过滤后形成探测光，所述探测光经所述第一离轴抛物面反射镜反射形成平行探测光，所述平行探测光经所述第二离轴抛物面反射镜反射形成聚焦探测光并聚焦于所述待测样品；

测量组件，包括准直透镜和光谱仪，所述聚焦探测光透过所述待测样品后，由所述准直透镜准直为平行测量光并进入所述光谱仪中测量光谱。

2.根据权利要求1所述的微区瞬态吸收光谱测量系统，其特征在于，还包括：

成像组件，包括显微物镜、第二半透半反镜、成像光源、成像透镜和CCD；

其中，所述成像光源发出的成像光束经过所述第二半透半反镜后进入所述显微物镜，所述显微物镜将接收到的入射光聚焦于所述待测样品，所述待测样品将光束反射后依次经过所述显微物镜、所述第二半透半反镜和所述成像透镜，并成像于所述CCD。

3.根据权利要求2所述的微区瞬态吸收光谱测量系统，其特征在于，还包括：

翻转镜架，所述成像组件与所述翻转镜架耦接，通过移动所述翻转镜架能够将所述成像组件移进或移出光路。

4.根据权利要求1所述的微区瞬态吸收光谱测量系统，其特征在于，所述激发光路还包括：

斩波器，设置于所述光参量放大器和所述第一聚焦透镜之间，所述斩波器用于将连续的光束调制成固定频率的光束。

5.根据权利要求1所述的微区瞬态吸收光谱测量系统，其特征在于，所述激发光路还包括：

第一反射镜阵列，设置于所述光参量放大器和所述第一聚焦透镜之间，所述垂直光束经所述光参量放大器改变光波长后，经由所述第一反射镜阵列反射至所述第一聚焦透镜。

6.根据权利要求1所述的微区瞬态吸收光谱测量系统，其特征在于，所述探测光路还包括：

光延迟组件，包括第二反射镜阵列，设置于所述第一半透半反镜和所述第二聚焦透镜之间。

7.根据权利要求6所述的微区瞬态吸收光谱测量系统，其特征在于，所述光延迟组件还包括驱动器，所述驱动器与所述第二反射镜阵列耦接，用于调整所述第二反射镜阵列的位置。

8.根据权利要求1所述的微区瞬态吸收光谱测量系统，其特征在于，所述探测光路还包括：

扩束准直组件，包括第三离轴抛物面反射镜和第四离轴抛物面反射镜，设置于所述第二离轴抛物面反射镜和所述待测样品之间，所述探测光依次经过所述第一离轴抛物面反射镜、所述第二离轴抛物面反射镜、所述第三离轴抛物面反射镜和所述第四离轴抛物面反射镜调整后聚焦于所述待测样品。

9.根据权利要求1所述的微区瞬态吸收光谱测量系统，其特征在于，所述测量组件还包括：

第二带通滤光片，所述聚焦探测光透过所述待测样品后，由所述准直透镜准直为平行测量光，并经由所述第二带通滤光片过滤后进入所述光谱仪中测量光谱。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的微区瞬态吸收光谱测量系统，其特征在于，

所述第一离轴抛物面反射镜和/或所述第二离轴抛物面反射镜的焦斑半径为：

其中，r是焦斑半径，λ是入射光波长，f是焦距，R是入射光的光斑半径。

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