CN117233108A - 一种高通量纳秒瞬态吸收光谱测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及样品光学检测领域，具体地说是一种高通量纳秒瞬态吸收光谱测量系统及方法。包括：宽光谱连续光源系统、纳秒脉冲激光光源系统、被测样品、光阑、光楔光谱干涉器、光电倍增管、数字示波器，其中；所述宽光谱连续光源系统发出的探测光束与所述纳秒脉冲激光光源系统发出的泵浦光束相交处设有被测样品，所述探测光束通过被测样品后，在其光路上依次设有光阑、光楔光谱干涉器、光电倍增管，所述数字示波器分别与纳秒脉冲激光光源系统和光电倍增管相连。本发明利用频率域的测量手段结合数字示波器，通过傅里叶变换实现对被测样品纳秒瞬态吸收光谱的测量。

Description

一种高通量纳秒瞬态吸收光谱测量系统及方法

技术领域

本发明涉及样品光学检测领域，具体地说是一种高通量纳秒瞬态吸收光谱测量系统及方法。

背景技术

瞬态吸收光谱是一种超快激光的泵浦-探测技术，是研究发光或者非辐射复合等过程中激发态的弛豫过程的有力工具，纳秒瞬态吸收光谱是探测纳秒尺度的所述弛豫过程，可以有效记录三重态，自由基等反应中间体。

在采用泵浦-探测技术测量纳秒瞬态吸收光谱时，通常采用高功率激光进行波长展宽作为探测光源，高重频纳秒激光作为激发光源，探测光源出射的探测光透射过被测样品后采用衍射分光的方式进行光谱探测，这种方法对光源要求高，且采用衍射分光方式探测使得光谱探测装置接收到的探测光强度较低，光强抖动造成的测量噪声对系统测量结果影响大，系统光谱测量信噪比低。

发明内容

本发明目的在于提供一种高通量纳秒瞬态吸收光谱测量系统及方法，利用频率域的测量手段结合数字示波器，通过傅里叶变换实现对被测样品纳秒瞬态吸收光谱的测量。为了解决传统测量方法对光源要求高且信噪比低的问题，本系统利用数字示波器采集透射过被测样品的探测光频率信息，通过傅里叶变换获得瞬态吸收光谱信息。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种高通量纳秒瞬态吸收光谱测量系统，包括：宽光谱连续光源系统、纳秒脉冲激光光源系统、被测样品、光阑、光楔光谱干涉器、光电倍增管、数字示波器，其中；

所述宽光谱连续光源系统发出的探测光束与所述纳秒脉冲激光光源系统发出的泵浦光束相交处设有被测样品，所述探测光束通过被测样品后，在其光路上依次设有光阑、光楔光谱干涉器、光电倍增管，所述数字示波器分别与纳秒脉冲激光光源系统和光电倍增管相连。

所述宽光谱连续光源系统包括：宽光谱连续光源以及设在其发出的探测光束光路上的反射镜一、反射镜二、聚焦镜一，所述探测光束经过聚焦镜一聚焦在被测样品上。

所述纳秒脉冲激光光源系统包括：纳秒脉冲激光光源、设在其发出的泵浦光束光路上的分束片，以及依次设于分束片的透射光路上的斩波器、反射镜三、反射镜四、聚焦镜二和设于分束片的反射光路上光电二极管，所述泵浦光束经过聚焦镜二聚焦在被测样品上，所述光电二极管与数字示波器相连；

还包括斩波器控制器，所述数字示波器通过斩波器控制器与斩波器相连。

所述数字示波器的外触发通道与光电二极管相连，所述数字示波器的通道一通过斩波器控制器与斩波器相连，所述数字示波器的通道二与光电倍增管相连。

所述光楔光谱干涉器包括依次固定在具有移动自由度的电动平移台上的移动光楔一，移动光楔二和移动晶体，所述移动光楔一与移动光楔二之间和移动光楔二与移动晶体之间均留有空隙作为空气膜。

一种高通量纳秒瞬态吸收光谱测量方法，包括以下步骤：宽光谱连续光源发出的探测光束经过反射并聚焦于被测样品，纳秒脉冲激光光源发出的泵浦光束被分束片分束为透射泵浦光束和反射泵浦光束，所述反射泵浦光束经光电二极管采集并转化为电信号输入至数字示波器的外触发通道，所述透射泵浦光束经斩波器降频后聚焦至被测样品，所述降频后的透射泵浦光束与探测光束焦点位置重合，且探测光束焦点光斑直径大于降频后的透射泵浦光束光斑直径，斩波器控制器输出与降频后的透射泵浦光束频率一致的方波信号至数字示波器的通道一，透射过被测样品的探测光束经光楔光谱干涉器傅里叶变换后被光电倍增管探测并转化为电信号输入至数字示波器的通道二。

通过调节反射镜一、反射镜二、反射镜三、反射镜四、使降频后的透射泵浦光束与探测光束在被测样品上的焦点位置重合。

所述宽光谱连续光源的光谱范围可扩展至紫外波段、可见波段以及近红外波段。

所述纳秒脉冲激光光源的脉冲频率范围为20Hz至20kHz，脉冲波长为266nm，355nm，378nm，400nm，532nm，780nm或800nm中的任意一种。

所述光楔光谱干涉器包括依次固定在具有移动自由度的电动平移台上的移动光楔一，移动光楔二和移动晶体，通过改变移动光楔一，移动光楔二和移动晶体的位置，实现改变改变傅里叶变换频率。

本发明具有以下有益效果及优点：

本发明利用傅里叶变换进行频率域的瞬态吸收光谱采集方法，可以采用卤素灯或气体光源作为探测光源，同时通过光楔光谱干涉器来实现频率域瞬态吸收光谱采集，光强损耗低，避免了传统衍射分光测量方法下光强低造成的信噪比低的问题，提升了采集精度，且降低了系统对光源的要求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明光楔光谱干涉器的结构示意图；

图3为本发明时序控制示意图；

图4为本发明全谱段干涉信号示意图；

其中，1为宽光谱连续光源，2为反射镜一，3为反射镜二，4为聚焦镜一，5为被测样品，6为光阑，7为光楔光谱干涉器，8为光电倍增管，9为纳秒脉冲激光光源，10为分束片，11为斩波器，12为反射镜三，13为反射镜四，14为聚焦镜二，15为斩波器控制器，16为光电二极管，17为数字示波器；

1701为外触发通道，1702为通道一，1703为通道二；

701为移动光楔一，702为移动光楔二，703为移动晶体；

801为单次采集的信号点。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

高通量纳秒瞬态吸收光谱测量系统及方法，包括连续宽光谱光源、反射镜一、反射镜二、被测样品、光阑、光楔光谱干涉器、光电倍增管、纳秒脉冲激光光源、分束片、斩波器、反射镜三、反射镜四、斩波器控制器、光电二极管以及数字示波器，其中连续宽光谱光源输出光束为本发明的探测光束，纳秒脉冲激光光源输出的光束为本发明的泵浦光束，在对被测样品进行纳秒瞬态吸收光谱测量时，连续宽光谱光源出射的探测光束经过反射镜一与反射镜二反射后经聚焦镜一聚焦至被测样品的样品区，透射过被测样品所述的所述探测光束穿过光阑小孔入射至光楔光谱干涉器，透射过所述光楔光谱干涉器的所述探测光经光电倍增管转化为电信号并输入至数字示波器的通道二，纳秒脉冲激光光源出射的泵浦光束经分束片分为透射激发光束与反射激发光束，所述透射激发光束光强大于所述反射激发光束光强，所述透射激发光束经斩波器降频为所述纳秒脉冲激光光源输出频率的一半，所述斩波器降频后的所述透射激发光束经反射镜三与反射镜四反射后经聚焦镜二聚焦至被测样品的样品区并与所述探测光束焦点重合，透射过所述被测样品的所述透射激发光束无法穿过所述光阑的小孔而被截止，所述反射激发光束入射至光电二极管，所述光电二极管将光信号转化为电信号并输入至所述数字示波器的外触发通道，斩波器控制器通过脉冲方波信号控制所述斩波器的斩波频率，所述脉冲方波信号同时接所述通数字示波器的通道一，本发明通过调节所述光楔光谱干涉器来改变所述探测光束的干涉情况从而获得所述探测光束的频率域信息，利用所述数字示波器获得所述探测光束在不同干涉情况下的纳秒瞬态吸收强度信息，最终通过傅里叶变换获得所述被测样品的纳秒瞬态吸收光谱。

所述光楔光谱干涉器包含移动光楔一、移动光楔二以及移动晶体，所述移动光楔一、移动光楔二以及移动晶体分别安装于具有移动自由度的电动平移台上，所述电动平移台受软件控制改变所述移动光楔一、移动光楔二以及移动晶体的位置，改变傅里叶变换频率。

所述宽光谱连续光源光谱范围可根据实际需要扩展至紫外波段、可见波段、近红外波段。

所述纳秒脉冲激光光源脉冲频率可以是20Hz至20kHz变化，脉冲波长可以根据实际需要选择266nm，355nm，378nm，400nm，532nm，780nm或800nm等。

如图1所示，本发明包括1、宽光谱连续光源，2、反射镜一，3、反射镜二，4、聚焦镜一，5、被测样品，6、光阑，7、光楔光谱干涉器，8、光电倍增管，9、纳秒脉冲激光光源，10、分束片，11、斩波器，12、反射镜三，13、反射镜四，14、聚焦镜二，15、斩波器控制器，16、光电二极管，17、数字示波器，其中宽光谱连续光源1输出的光束为探测光束，纳秒脉冲激光光源9输出的光束为泵浦光束，本发明在获得被测样品5的纳秒瞬态吸收光谱过程中先进行信号采集步骤，后进行数据处理步骤，在所述信号采集步骤中，宽光谱连续光源输出的探测光束由反射镜一2和反射镜二3反射并经过聚焦镜一4聚焦至被测样品5的样品区所述透射过被测样品5的探测光束穿过光阑6的小孔入射至光楔光谱干涉器7，光楔光谱干涉器7对所述探测光束进行傅里叶变化，透射过光楔光谱干涉器的探测光束经过光电倍增管8转化为电信号，所述电信号经过数据连接线传输至数字示波器17的通道二1703，与此同时，纳秒脉冲激光光源9出射的泵浦光束经分束片10分束为透射泵浦光束与反射泵浦光束，其中所述透射泵浦光束光强大于所述反射泵浦光束光强，所述反射泵浦光束经光电二极管16转化为电信号后输入至数字示波器的外触发通道1701，所述透射泵浦光束经斩波器11降频，降频后的透射泵浦光束频率为原所述透射泵浦光束频率的一半，所述降频后的透射泵浦光束被反射镜三12和反射镜四13反射后，经聚焦镜二14聚焦至被测样品5，所述降频后的透射泵浦光束的焦点位置与所述探测光束焦点位置重合且所述探测光束焦点光斑直径大于所述降频后的透射泵浦光束焦点光斑直径，所述降频后的透射泵浦光束透射过被测样品5后，被光阑6拦截截止，斩波器11受斩波器控制器15控制转速以实现对所述透射泵浦光束降频，斩波器控制器15同时向的数字示波器的通道一1702提供与所述降频后频率一致的方波信号。

如图2所示，光楔光谱干涉器7包括移动光楔一701，移动光楔二702和移动晶体703，移动光楔一701，移动光楔702和移动晶体703分别固定于具有移动自由度的电动平移台上，所述电动平移台可以根据控制程序进行连续扫描或步进位移。

如图3所示，光电二极管16接收并探测纳秒脉冲激光光源9输出的光束，并将所述探测到的光束的光信号转化为电信号，所述电信号经数据传输线传输至数字示波器17的外触发通道1701，数字示波器17接收所述电信号并受所述电信号触发进行数据采集，斩波器控制器15控制斩波器11转速，斩波器11对所述透射泵浦光束进行降频，降频后的透射泵浦光束频率为所述透射泵浦光束频率的一半，斩波器控制器15设有输出端，所述输出端输出方波信号频率与所述降频后的透射泵浦光束频率一致，所述输出端经数据传输线与数字示波器17的通道一1702相连，所述输出端输出的方波信号经所述数据传输先输入至数字示波器17的通道一1702，数字示波器17的通道一1702用于区分采集过程中的pump-on与pump-off过程，光电倍增管8在数字示波器17的通道一1702的信号周期内，采集透射过被测样品5的探测光信号，并将所述透射过被测样品5的探测光信号转化为电信号输入至数字示波器17的通道二1703。

如图4所示，801为单次采集的信号点，所述信号为图3中光电倍增管8在斩波器控制器15提供的一个采集周期内固定时间点的信号，光楔光谱干涉器7中的电动平移台受软件控制，所述软件控制所述电动平移台的移动方向及移动步长，光楔光谱干涉器7的每次移动中光电倍增管8可进行一次或多次重复采集，所述一次或多次重复采集的平均信号为光楔光谱干涉器在该次移动中对应的干涉信号，光楔光谱干涉器7的移动使光电倍增管8可以采集到不同移动位置的干涉信号，提取所述不同移动位置的干涉信号，经过拼接即可获得全谱段干涉信号图。

本发明的工作原理为：

如图1所示，本发明设有探测光束和泵浦光束，所述探测光束由宽光谱连续光源1发出，泵浦光束由纳秒脉冲激光光源9发出，所述探测光束经过反射并聚焦于被测样品5，所述泵浦光束被分束片10分束为透射泵浦光束和反射泵浦光束，所述反射泵浦光束经光电二极管16采集并转化为电信号输入至数字示波器17的外触发通道1701，所述透射泵浦光束经斩波器11降频后聚焦至被测样品5，所述降频后的透射泵浦光束与所述探测光束焦点位置重合，且所述探测光束焦点光斑直径大于所述降频后的透射泵浦光束光斑直径，斩波器11的转速受斩波器控制器15控制，斩波器控制器15输出与所述降频后的透射泵浦光束频率一致的方波信号至数字示波器17的通道一1702，透射过被测样品的所述探测光束经光楔光谱干涉器7傅里叶变换后被光电倍增管8探测并转化为电信号输入至数字示波器17的通道二1703，

所述探测光束与所述降频后的泵浦光束在被测样品5位置的重合性使通过调节反射镜一2，反射镜二3，反射镜三12和反射镜四13来实现的。

如图3所示，光楔光谱干涉器7由移动光楔一701，移动光楔702和移动晶体703组成，移动光楔701，移动光楔702和移动晶体703均安装于具有移动自由度的平移台上，通过改变移动光楔一701，移动光楔702和移动警惕703的位置来改变其之间的空气膜厚度，从而实现对探测光束中的不同频率光进行干涉，从而实现对所述探测光束的傅里叶变换。

如图1所示，单次采集过程为针对所述探测光束的单一频率傅里叶变换后的光信号进行时间分辨采集，数字示波器17的通道二1703可以在所述单次采集过程中采集通道一1702的一个周期内的所述透射探测光束单一频率的傅里叶变换后的单次信号或多次重复信号，从而获得所述透射探测光束透过被测样品5且经过光楔光谱干涉器7傅里叶变换后的时间延迟信息。

如图4所示，在数据处理过程中，提取所述每个单次采集过程中相同时间延迟位置的所述透射探测光束透射过被测样品5且经过光楔光谱干涉器7傅里叶变换后的信息，将每个单次采集过程中的所述信息进行拼接，即可获得在所述时间延迟位置的所述探测光束透射过被测样品5且经过光楔光谱干涉器7傅里叶变换过后的傅里叶光谱信息，通过对该信息进行逆傅里叶变换，即可获得相应的瞬态吸收光谱信息，通过选择不同时间延迟位置进行上述重复操作，即可获得不同时间延迟位置的瞬态吸收光谱信息。

Claims (10)

1.一种高通量纳秒瞬态吸收光谱测量系统，其特征在于，包括：宽光谱连续光源系统、纳秒脉冲激光光源系统、被测样品(5)、光阑(6)、光楔光谱干涉器(7)、光电倍增管(8)、数字示波器(17)，其中；

所述宽光谱连续光源系统发出的探测光束与所述纳秒脉冲激光光源系统发出的泵浦光束相交处设有被测样品(5)，所述探测光束通过被测样品(5)后，在其光路上依次设有光阑(6)、光楔光谱干涉器(7)、光电倍增管(8)，所述数字示波器(17)分别与纳秒脉冲激光光源系统和光电倍增管(8)相连。

2.根据权利要求1所述的一种高通量纳秒瞬态吸收光谱测量系统，其特征在于，所述宽光谱连续光源系统包括：宽光谱连续光源(1)以及设在其发出的探测光束光路上的反射镜一(2)、反射镜二(3)、聚焦镜一(4)，所述探测光束经过聚焦镜一(4)聚焦在被测样品(5)上。

3.根据权利要求1所述的一种高通量纳秒瞬态吸收光谱测量系统，其特征在于，所述纳秒脉冲激光光源系统包括：纳秒脉冲激光光源(9)、设在其发出的泵浦光束光路上的分束片(10)，以及依次设于分束片(10)的透射光路上的斩波器(11)、反射镜三(12)、反射镜四(13)、聚焦镜二(14)和设于分束片(10)的反射光路上光电二极管(16)，所述泵浦光束经过聚焦镜二(14)聚焦在被测样品(5)上，所述光电二极管(16)与数字示波器(17)相连；

还包括斩波器控制器(15)，所述数字示波器(17)通过斩波器控制器(15)与斩波器(11)相连。

4.根据权利要求1所述的一种高通量纳秒瞬态吸收光谱测量系统，其特征在于，所述数字示波器(17)的外触发通道(1701)与光电二极管(16)相连，所述数字示波器(17)的通道一(1702)通过斩波器控制器(15)与斩波器(11)相连，所述数字示波器(17)的通道二(1703)与光电倍增管(8)相连。

5.根据权利要求1所述的一种高通量纳秒瞬态吸收光谱测量系统，其特征在于，所述光楔光谱干涉器(7)包括依次固定在具有移动自由度的电动平移台上的移动光楔一(701)，移动光楔二(702)和移动晶体(703)，所述移动光楔一(701)与移动光楔二(702)之间和移动光楔二(702)与移动晶体(703)之间均留有空隙作为空气膜。

6.一种高通量纳秒瞬态吸收光谱测量方法，其特征在于，包括以下步骤：宽光谱连续光源(1)发出的探测光束经过反射并聚焦于被测样品(5)，纳秒脉冲激光光源(9)发出的泵浦光束被分束片(10)分束为透射泵浦光束和反射泵浦光束，所述反射泵浦光束经光电二极管(16)采集并转化为电信号输入至数字示波器(17)的外触发通道(1701)，所述透射泵浦光束经斩波器(11)降频后聚焦至被测样品(5)，所述降频后的透射泵浦光束与探测光束焦点位置重合，且探测光束焦点光斑直径大于降频后的透射泵浦光束光斑直径，斩波器控制器(15)输出与降频后的透射泵浦光束频率一致的方波信号至数字示波器(17)的通道一(1702)，透射过被测样品的探测光束经光楔光谱干涉器(7)傅里叶变换后被光电倍增管(8)探测并转化为电信号输入至数字示波器(17)的通道二(1703)。

7.根据权利要求6所述的一种高通量纳秒瞬态吸收光谱测量方法，其特征在于，通过调节反射镜一(2)、反射镜二(3)、反射镜三(12)、反射镜四(13)、使降频后的透射泵浦光束与探测光束在被测样品(5)上的焦点位置重合。

8.根据权利要求6所述的一种高通量纳秒瞬态吸收光谱测量方法，其特征在于，所述宽光谱连续光源(1)的光谱范围可扩展至紫外波段、可见波段以及近红外波段。

9.根据权利要求6所述的一种高通量纳秒瞬态吸收光谱测量方法，其特征在于，所述纳秒脉冲激光光源(9)的脉冲频率范围为20Hz至20kHz，脉冲波长为266nm，355nm，378nm，400nm，532nm，780nm或800nm中的任意一种。

10.根据权利要求6所述的一种高通量纳秒瞬态吸收光谱测量方法，其特征在于，所述光楔光谱干涉器(7)包括依次固定在具有移动自由度的电动平移台上的移动光楔一(701)，移动光楔二(702)和移动晶体(703)，通过改变移动光楔一(701)，移动光楔二(702)和移动晶体(703)的位置，实现改变改变傅里叶变换频率。