CN115684079A - 一种高灵敏度和高信噪比的瞬态吸收光谱测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度和高信噪比的瞬态吸收光谱测量系统，包括飞秒激光源、泵浦光参量放大器、超低频斩波器、超连续谱白光产生装置、光路调节组件、显微测试和成像模块、功率监测模块、光谱仪和计算机；飞秒激光源用于产生参量恒定的飞秒激光脉冲序列，经过第一分束器后分为泵浦光路和探测光路；泵浦光参量放大器用于产生具有特定参量的飞秒激光，超低频斩波器用于泵浦光在光路中的周期性开关；超连续谱白光产生装置用于将探测光转变为具有从可见到近红外宽谱特性的激光；光路调节组件用于调整引导激光在光路中的行进路线，并完成对激光的分束与合束操作等。本发明具有高灵敏度和高信噪比、宽光谱、结构紧凑、微区成像等优点。

Description

一种高灵敏度和高信噪比的瞬态吸收光谱测量系统

技术领域

本发明涉及超快光谱技术领域，更具体地说，特别涉及一种高灵敏度和高信噪比的瞬态吸收光谱测量系统。

背景技术

超快光谱技术中的瞬态吸收光谱测试除了具备光学手段的高效无损等优势外，还凭借超高的时间分辨率成为了研究材料微观机理及动力学过程的重要手段。在二维半导体材料的研究中，若需采用反射式光路，由于微米量级的小尺寸和空间分辨的因素，一方面，待测材料的反射回光强度相比大片材料的非微区光路情况存在较大损失，另一方面，减小的显微聚焦光斑尺寸对应了更小的探测区域，使得瞬态吸收信号(正比于有无泵浦光情况下探测光的差分光谱)更为微弱。特别地，对于一些光热稳定型较差的材料，需要进一步减弱入射激光的强度，而低功率的泵浦探测也恰好降低了载流子浓度和载流子-载流子相互作用水平，利于获得真实的载流子弛豫信息。

因此，对于上述的二维材料测试应用场景来说，在信号采集环节应采用高灵敏度的面阵电荷耦合器件(CCD)光谱仪。面阵CCD虽然拥有远超金属氧化物半导体(MOS)传感器的光学灵敏度和低噪声水平，在弱光信号探测方面优势明显，但相对于MOS器件的来说，CCD的光敏输出不具有地址选通性，因而采样速率普遍较低。在微弱光谱信号的测量过程中，积分时间的延长使得CCD光谱仪单个光谱的输出时间达到10-1秒量级。在基于光快门方案的泵浦-探测测量中，光快门的打开与闭合直接对应了泵浦光的开关状态，其差分信号测试的时间窗口可相对自由地设置，降低了信号同步的难度，非常适用于较长积分时间的面阵CCD光谱仪。

然而，基于光快门的测量方案存在固有缺陷。首先，在整个瞬态吸收光谱的动力学测试中，通常需要总数达数千上万次的频繁开关以完成对信号的平均和高信噪比提取，而光快门本身的开关寿命大多在百万次量级，不能完全符合可靠稳定的要求；其次，光快门头部开合带来的振动作用会不可避免地影响精密光学测量。因此，寻找一种能够替代光快门并兼容高灵敏度和高信噪比的瞬态吸收光谱测量系统是迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高灵敏度和高信噪比的瞬态吸收光谱测量系统，以克服现有技术所存在的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高灵敏度和高信噪比的瞬态吸收光谱测量系统，包括飞秒激光源、泵浦光参量放大器、超低频斩波器、超连续谱白光产生装置、光路调节组件、显微测试和成像模块、功率监测模块、光谱仪和计算机；所述飞秒激光源用于产生参量恒定的飞秒激光脉冲序列，经过第一分束器后分为泵浦光路和探测光路；所述泵浦光参量放大器和超低频斩波器依次设于泵浦光路上，所述泵浦光参量放大器用于产生具有特定参量的飞秒激光，所述超低频斩波器用于泵浦光在光路中的周期性开关；所述超连续谱白光产生装置设于探测光路上且用于将探测光转变为具有从可见到近红外宽谱特性的激光；所述光路调节组件用于调整引导激光在光路中的行进路线，并完成对激光的分束与合束操作；所述功率监测模块用于泵浦光的功率监测以判断泵浦光在低频斩波器调制下的开关状态；所述显微测试和成像模块用于待测样品放置、激光的聚焦入射和微区成像；所述光谱仪用于探测光的参考光和待测样品反射回光的光信号收集、分光和谱强度分析；所述计算机用于测量系统的仪器通信控制、自动化测量和数据处理。

进一步地，所述光路调节组件包括第一分束器、第二分束器、第三分束器、第四分束器、光程调节器、合束器、第五分束器、可移除合束器、第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，所述第一分束器设于飞秒激光源的一端，所述第二分束器将经过超低频斩波器调制后的泵浦光分为两路，一路泵浦光通过第一反射镜和合束器的反射后用于待测样品的泵浦，另一路泵浦光进入功率监测模块，所述第三分束器设于超连续谱白光产生装置的另一侧，第三分束器用于将探测光经过超连续白光产生装置后形成超连续光脉冲分为两路，一路探测光进入光谱仪作为探测光的参考光，另一路探测光经过光程调节器后获得探测脉冲序列相对于泵浦脉冲序列的延迟，再经过第二反射镜的反射、第四分束器与合束器的透射后与泵浦光合束通过可移除合束器和第五分束器进入显微测试和成像模块。

进一步地，所述功率监测模块包括光探测器和模数转换器，所述光探测器用于接收从泵浦光给出的监测信号，并且在泵浦光未被或被超低频斩波器叶片遮挡时光探测器将接收到的光信号转换成模拟电信号并通过模数转换器转换成对应的数字信号。

进一步地，所述显微测试和成像模块包括显微物镜、待测样品台、照明光源、准直透镜和相机，所述显微物镜位于可移除合束器的下方，所述待测样品台位于显微物镜的下方，所述照明光源用于样品表面的照明，所述准直透镜用于照明光的准直，所述相机用于成像待测样品表面及激光的聚焦，所述准直透镜设于第五分束器的一侧，所述相机位于第五分束器的成像一侧。

进一步地，所述光谱仪内部采用面阵CCD探测器，在参考光和探测光的反射回光同时进入光谱仪狭缝后，由内部的光栅进行分光，并分别在面阵CCD探测器的不同区域成像，通过对两个区域的选择输出一次性得到参考光和探测光回光的两条光谱。

进一步地，所述计算机通过串口与模数转换器、光程调节器、光谱仪、相机连接，所述计算机通过模数转换器读取开关的数字信号，根据数字信号中每个状态的持续时间确定光谱仪多次积分测量的时间窗口，并对测量到的光谱数据进行处理，得到瞬态吸收信号；通过光程调节器实现对泵浦-探测延迟的调节；调整光谱仪的测量参数，并将传回光谱数据进行提取和处理；通过相机取得并可视化待测样品表面及激光聚焦情况的图像。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提供的一种高灵敏度和高信噪比的瞬态吸收光谱测量系统，拥有高灵敏度宽光谱探测的优势，对于微弱光强泵浦-探测情况下的瞬态吸收光谱测量具有良好的效果，也拓宽了对于待测材料的可选范围；本发明也克服了传统泵浦-探测测试中光快门方案的缺陷，一方面绕开了光开关的使用寿命限制，提升了系统的稳定性的同时通过超低频斩波器确保了光谱仪测量的时间窗口，另一方面避免了光开关在频繁运行过程中对光路带来的振动，利于高信噪比的光谱测试。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明高灵敏度和高信噪比的瞬态吸收光谱测量系统的结构示意图；

图2是本发明运行过程中的原理示意图。

图中：飞秒激光源1、第一分束器2、泵浦光参量放大器3、超低频斩波器4、第二分束器5、光探测器6、模数转换器7、第一反射镜8、超连续谱白光产生装置9、第三分束器10、光程调节器11、第二反射镜12、第四分束器13、第三反射镜14、光谱仪15、合束器16、可移除合束器17、显微物镜18、待测样品台19、照明光源20、准直透镜21、第五分束器22、相机23、计算机24。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参阅图1所示，本实施例公开了一种高灵敏度和高信噪比的瞬态吸收光谱测量系统，包括飞秒激光源1、泵浦光参量放大器3、超低频斩波器4、超连续谱白光产生装置9、光路调节组件、显微测试和成像模块、功率监测模块、光谱仪15和计算机24。

所述飞秒激光源1用于产生参量恒定的飞秒激光脉冲序列，经过第一分束器2后分为泵浦光路和探测光路。

所述泵浦光参量放大器3和超低频斩波器4依次设于泵浦光路上，所述泵浦光参量放大器3用于产生具有特定参量的飞秒激光，所述超低频斩波器4用于泵浦光在光路中的周期性开关。

所述超连续谱白光产生装置9设于探测光路上且用于将探测光转变为具有从可见到近红外宽谱特性的激光。

所述光路调节组件用于调整引导激光在光路中的行进路线，并完成对激光的分束与合束操作。

具体的，所述光路调节组件包括第一分束器2、第二分束器5、第三分束器10、第四分束器13、光程调节器11、合束器16、第五分束器22、可移除合束器17、第一反射镜8、第二反射镜12和第三反射镜14，第一分束器2设于飞秒激光源1的一端，第二分束器5将经过超低频斩波器4调制后的泵浦光分为两路，一路泵浦光通过第一反射镜8和合束器16的反射后用于待测样品的泵浦，另一路泵浦光进入功率监测模块，第三分束器10设于超连续谱白光产生装置9的另一侧，第三分束器10用于将探测光经过超连续白光产生装置9后形成超连续光脉冲分为两路，一路探测光进入光谱仪15作为探测光的参考光，另一路探测光经过光程调节器11后获得探测脉冲序列相对于泵浦脉冲序列的延迟，再经过第二反射镜12的反射、第四分束器13与合束器16的透射后与泵浦光合束通过可移除合束器17和第五分束器22进入显微测试和成像模块。

本实施例中，分束器用于飞秒激光的多次分束，分别用于泵浦、探测、功率监测和探测光的参考作用；光程调节器11用于探测光光程的调节，以实现其脉冲序列相对于泵浦光的延迟；合束器16用于泵浦光和探测光的合束以共线进入显微测试和成像模块；可移除合束器27用于显微测试和成像模块的成像部分在系统光路中的耦入和耦出；反射镜用于光束方向的控制引导。

所述功率监测模块用于泵浦光的功率监测以判断泵浦光在低频斩波器4调制下的开关状态。

具体的，所述功率监测模块包括光探测器6和模数转换器7，超低频斩波器的工作频率最低为1Hz(1至200Hz可调)，光探测器6用于接收从泵浦光给出的监测信号，并且在泵浦光未被或被超低频斩波器4叶片遮挡时光探测器6将接收到的光信号转换成模拟电信号并通过模数转换器7转换成对应的数字信号。即：当泵浦光未被斩波器叶片遮挡时，探测器将接收到的光信号转换成模拟电信号并通过模数转换器转换成数字信号“1”，反之在遮挡情况下则为“0”。“1”和“0”的开关信号分别对应泵浦光的有无。

所述显微测试和成像模块用于待测样品放置、激光的聚焦入射和微区成像；所述光谱仪15用于探测光的参考光和待测样品反射回光的光信号收集、分光和谱强度分析。

具体的，所述显微测试和成像模块包括显微物镜18、待测样品台19、照明光源20、准直透镜21和相机23，显微物镜18位于可移除合束器17的下方，待测样品台19位于显微物镜18的下方，照明光源20用于样品表面的照明，准直透镜21用于照明光的准直，所述相机23用于成像待测样品表面及激光的聚焦，准直透镜21设于第五分束器22的一侧，相机23位于第五分束器22的成像一侧。

所述计算机24用于测量系统的仪器通信控制、自动化测量和数据处理。

具体的，所述计算机24通过串口与模数转换器7、光程调节器11、光谱仪15、相机23连接，所述计算机24通过模数转换器7读取开关的数字信号，根据数字信号中每个状态的持续时间(本实施例为根据“1”和“0”状态的持续时间)确定光谱仪多次积分测量的时间窗口，并对测量到的光谱数据进行处理，得到瞬态吸收信号；通过光程调节器11实现对泵浦-探测延迟的调节，包括延迟的归零以及动力学测试过程中的每个延迟时刻的步进设置；调整光谱仪15的测量参数，包括狭缝宽度、光栅类型、CCD的积分时间等，并将传回光谱数据进行提取和处理；通过相机23取得并可视化待测样品表面及激光聚焦情况的图像。

本实施例中，所述光谱仪15内部采用面阵CCD探测器，具有高灵敏度和低暗电流等特点，在参考光和探测光的反射回光同时进入光谱仪15狭缝后，由内部的光栅进行分光，并分别在面阵CCD探测器的不同区域成像，通过对两个区域的选择输出一次性得到参考光和探测光回光的两条光谱。

下面详细介绍本发明的工作过程。

飞秒激光源1输出高能量的飞秒脉冲序列，经第一分束器2后分成两条光路，其中一路经过泵浦光参量放大器3变为波长可调的泵浦光脉冲，另一束经过超连续谱白光产生装置9变为超连续宽谱脉冲。飞秒激光源1为掺钛蓝宝石激光器，出光波长800nm，重复频率1kHz。第一分束器2为半透半反镜，根据需要可调整透射和反射光强度的比例，一般需要更强的泵浦光(分光比9比1)以提升泵浦光参量放大器3的运行效率，光参量放大器3的波长可调范围为350至2600nm。

泵浦光首先经过超低频斩波器4进行调制，而后经第二分束器5分入两条光路，一路经过第一反射镜8和合束器16的反射后用于待测样品的泵浦，另一路光经反射进入光探测器6用于功率监测，光探测器6将接收到的光信号转换成模拟电信号并通过模数转换器7转换成数字信号，其中“1”和“0”的开关信号分别对应泵浦光的有无。分束器5为半透半反镜，其用于功率监测的反射路分光比例可以很小。

探测光经过超连续白光产生装置9后形成超连续光脉冲，经第三分束器10分入两条光路，一路直接进入光谱仪15作为探测光的参考光，另一路探测光经过光程调节器11后获得探测脉冲序列相对于泵浦脉冲序列的延迟，经过第二反射镜12的反射、第四分束器13与合束器16的透射后与泵浦光合束进入显微测试和成像模块。超连续谱白光装置9由一对等焦距的凸透镜和光学非线性晶体(可选蓝宝石、氟化钙晶体等)组成，单色飞秒激光由前置透镜聚焦于晶体产生超连续谱激光并由后置透镜准直。光程调节器11由一对反射镜和长程线性位移台构成，通过改变位移台所处位置实现光程的变化，从而调整探测脉冲序列相对泵浦脉冲序列的延迟，在某个中间位置，两光脉冲同时到达待测样品表面。分束器13为半透半反镜，探测光首次经过时起到透射作用，其回光再次经过时起到反射作用，被引导进入光谱仪15中。合束器16为二向色镜，针对不同的探测波段可以调整其工作波长，达到对泵浦光高比例反射、探测光高比例透射的效果。

可移除合束器17控制显微测试和成像模块的成像部分在系统光路中的耦入和耦出。显微物镜18为反射式物镜，根据需要可调整放大倍率和数值孔径。待测样品台19可以三维移动，位移精度在10²nm量级，以精确调整激光聚焦和待测样品位置。准直透镜21为凸透镜。分束器22为半透半反镜，对照明光起到透射作用，并对照明光和激光的回光起到反射作用，引导其进入相机23形成图像。

光谱仪15内置的探测器为面阵CCD，特点为高灵敏度和低暗电流等，具有多行检测单元，探测光和参考光经分光后照射在面阵探测器的不同行，即分为上下两个半区，在一次曝光下可以同时将两个半区检测单元的信号合并输出，从而一次性读取探测光和参考光的光谱形状和强度。

计算机24通过串口与各仪器连接从而完成通信控制，软件平台由基于Labview编写。

本发明的测量系统的运行过程中，操作流程和基本原理如下：

1、根据待测样品的光学响应情况确定探测光的波段，通过泵浦光参量放大器4和超连续白光产生装置9调整泵浦光和探测光的中心波长。

2、根据成像模块的图像显示完成对光路的调整，使得激光聚焦位置和聚焦情况适宜。而后将成像模块从光路中耦出，通过光程调节器11确定泵浦光和探测光的零延迟位置，按照“探测光相对于泵浦光为负延迟到零延迟再到正延迟的递进”的规律设置多个延迟时刻和步进间隔后开始测试。

3、如图2所示，在每个延迟时刻到来后，超低频斩波器14会周期性地遮挡泵浦光。计算机根据斩波器的窗口时间完成对光谱仪积分时间的设置，使其小于或等于斩波器每个开关信号的持续时间，其中积分时间＝单帧积分时间×累加次数。在未遮挡的情况下，探测器输出高(低)电平的模拟信号，在设定采样阈值的情况下，模拟电信号经过模数转换器后转变数字“1”(“0”)的开(关)信号。在每个关信号的时间窗口内，光谱仪CCD同时完成对探测光和参考光光谱的积分和累加，所获得探测光和参考光光谱强度分别为R₀(λ)和R_f0(λ)，反之，开状态下对应的信号分别为R(λ)和R_f(λ)。随后，计算机在下一个开(关)信号到来的瞬间完成对数据的收集并初始化CCD以进行下一次光谱积分。

4、单个延迟时刻的瞬态吸收光谱

通过遍历每个延迟时刻t就可以获得动力学变化的瞬态吸收光谱

5、积分时间决定了对于微弱光信号的灵敏度。信噪比则取决于光源抖动、光路稳定性、探测器噪声等多个方面。对探测光和参考光的同时采集很大程度上消除了这些因素带来的影响，而为了取得更高的信噪比，通常需要完成对瞬态吸收信号多次测试和平均，需要多次重复步骤3、4的操作。此时单个延迟时刻的瞬态吸收光谱

本发明拥有高灵敏度宽光谱探测的优势，对于微弱光强泵浦-探测情况下的瞬态吸收光谱测量具有良好的效果，也拓宽了对于待测材料的可选范围；本发明也克服了传统泵浦-探测测试中光快门方案的缺陷，一方面绕开了光开关的使用寿命限制，提升了系统的稳定性的同时通过超低频斩波器确保了光谱仪测量的时间窗口，另一方面避免了光开关在频繁运行过程中对光路带来的振动，利于高信噪比的光谱测试。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高灵敏度和高信噪比的瞬态吸收光谱测量系统，其特征在于：包括飞秒激光源、泵浦光参量放大器、超低频斩波器、超连续谱白光产生装置、光路调节组件、显微测试和成像模块、功率监测模块、光谱仪和计算机；所述飞秒激光源用于产生参量恒定的飞秒激光脉冲序列，经过第一分束器后分为泵浦光路和探测光路；所述泵浦光参量放大器和超低频斩波器依次设于泵浦光路上，所述泵浦光参量放大器用于产生具有特定参量的飞秒激光，所述超低频斩波器用于泵浦光在光路中的周期性开关；所述超连续谱白光产生装置设于探测光路上且用于将探测光转变为具有从可见到近红外宽谱特性的激光；所述光路调节组件用于调整引导激光在光路中的行进路线，并完成对激光的分束与合束操作；所述功率监测模块用于泵浦光的功率监测以判断泵浦光在低频斩波器调制下的开关状态；所述显微测试和成像模块用于待测样品放置、激光的聚焦入射和微区成像；所述光谱仪用于探测光的参考光和待测样品反射回光的光信号收集、分光和谱强度分析；所述计算机用于测量系统的仪器通信控制、自动化测量和数据处理。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度和高信噪比的瞬态吸收光谱测量系统，其特征在于，所述光路调节组件包括第一分束器、第二分束器、第三分束器、第四分束器、光程调节器、合束器、第五分束器、可移除合束器、第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，所述第一分束器设于飞秒激光源的一端，所述第二分束器将经过超低频斩波器调制后的泵浦光分为两路，一路泵浦光通过第一反射镜和合束器的反射后用于待测样品的泵浦，另一路泵浦光进入功率监测模块，所述第三分束器设于超连续谱白光产生装置的另一侧，第三分束器用于将探测光经过超连续白光产生装置后形成超连续光脉冲分为两路，一路探测光进入光谱仪作为探测光的参考光，另一路探测光经过光程调节器后获得探测脉冲序列相对于泵浦脉冲序列的延迟，再经过第二反射镜的反射、第四分束器与合束器的透射后与泵浦光合束通过可移除合束器和第五分束器进入显微测试和成像模块。

3.根据权利要求2所述的高灵敏度和高信噪比的瞬态吸收光谱测量系统，其特征在于，所述功率监测模块包括光探测器和模数转换器，所述光探测器用于接收从泵浦光给出的监测信号，并且在泵浦光未被或被超低频斩波器叶片遮挡时光探测器将接收到的光信号转换成模拟电信号并通过模数转换器转换成对应的数字信号。

4.根据权利要求2所述的高灵敏度和高信噪比的瞬态吸收光谱测量系统，其特征在于，所述显微测试和成像模块包括显微物镜、待测样品台、照明光源、准直透镜和相机，所述显微物镜位于可移除合束器的下方，所述待测样品台位于显微物镜的下方，所述照明光源用于样品表面的照明，所述准直透镜用于照明光的准直，所述相机用于成像待测样品表面及激光的聚焦，所述准直透镜设于第五分束器的一侧，所述相机位于第五分束器的成像一侧。

5.根据权利要求2所述的高灵敏度和高信噪比的瞬态吸收光谱测量系统，其特征在于，所述光谱仪内部采用面阵CCD探测器，在参考光和探测光的反射回光同时进入光谱仪狭缝后，由内部的光栅进行分光，并分别在面阵CCD探测器的不同区域成像，通过对两个区域的选择输出一次性得到参考光和探测光回光的两条光谱。

6.根据权利要求3所述的高灵敏度和高信噪比的瞬态吸收光谱测量系统，其特征在于，所述计算机通过串口与模数转换器、光程调节器、光谱仪、相机连接，所述计算机通过模数转换器读取开关的数字信号，根据数字信号中每个状态的持续时间确定光谱仪多次积分测量的时间窗口，并对测量到的光谱数据进行处理，得到瞬态吸收信号；通过光程调节器实现对泵浦-探测延迟的调节；调整光谱仪的测量参数，并将传回光谱数据进行提取和处理；通过相机取得并可视化待测样品表面及激光聚焦情况的图像。

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