CN117761022A - 一种量子中心超快电离动力学过程的探测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种量子中心超快电离动力学过程的探测系统及方法。超快电离动力学过程的探测系统包括：双脉冲泵浦‑白光脉冲探测系统、显微荧光系统、信号测试系统与信号处理系统。双脉冲泵浦‑白光脉冲探测系统输出两束泵浦脉冲和宽光谱的白光探测脉冲，三束脉冲的光程差可调。显微荧光系统将三脉冲照射到量子中心，并将收集到的信号光依次传输至信号测试系统和信号处理系统。其中两束泵浦光分别进行量子中心光激发过程与光电离过程，白光探测脉冲监测电离后恢复过程。通过三个时序可控的飞秒激光脉冲去探测量子中心超快光激发电离恢复过程。本发明应用于量子中心超快光电离恢复过程超高时间分辨率的瞬态测量，分析光诱导的超快电离动力学过程。
Description
技术领域
本发明属于超快时间分辨光谱技术研究领域，具体涉及一种量子中心超快电离动力学过程的探测系统及方法。
背景技术
近年来，超快时间分辨光谱技术在光电检测领域迅速发展。超快时间分辨光谱技术主要通过调控超短激光脉冲实现对光诱导动力学过程的研究，揭示光与物质相互作用过程的物理机制，为探测瞬态物理化学过程提供了一种超快光电检测方案。
其中泵浦探测技术已成为表征分子和半导体结构中电子态和能量转移过程的重要手段，是目前应用非常广泛的超快时间分辨光谱技术。其主要原理为两束超短激光脉冲同时聚焦到样品上，两束脉冲激光分别作为泵浦光和探测光。通过泵浦脉冲触发光诱导现象，探测脉冲探测瞬态光学响应过程。泵浦光与探测光之间存在可调的光程差，通过调控泵浦光和探测光之间的时间延迟，测量光诱导过程中的瞬态信息，探索光与物质相互作用的瞬态物理过程。
量子中心超快光电离动力学主要涉及光激发电离过程和电离后恢复两个超快过程。现有的基于泵浦探测技术的超快电离动力学过程探测采用单波长探测脉冲，仅能探测超快电离恢复过程的部分信息。
发明内容
本发明提供了一种量子中心超快电离动力学过程的探测系统及方法，解决了背景技术中披露的问题。
本发明采用宽光谱的白光作为探测脉冲，通过白光探测脉冲监测吸收谱，结合量子中心能级结构，可以获得量子中心电离恢复过程中更多瞬态信息，此外，本发明采用时序可调的双脉冲作为泵浦脉冲，两个泵浦脉冲的时间间隔可调性将允许探测光激发电离这一超快动力学过程。
本发明的具体技术方案如下：
一种量子中心超快电离动力学过程的探测系统，包括：双脉冲泵浦-白光脉冲探测系统、显微荧光系统、信号测试系统以及信号处理系统；
所述双脉冲泵浦-白光脉冲探测系统用于输出三束时序可调脉冲；
所述显微荧光系统用于将双脉冲泵浦-白光脉冲探测系统输出的三束时序可调脉冲聚焦到量子中心，激发量子中心进行超快光电离及恢复过程，并收集量子中心在超快电离过程的信号光，滤除激发光；
所述信号测试系统用于将显微荧光系统收集的信号光进行分光处理，并将收集到的光信号转换为电信号；
信号处理系统用于将信号测试系统测得的电信号传输到计算机进行处理，分析量子中心超快电离动力学过程中的瞬态信息及电子态动态。
进一步地，所述双脉冲泵浦-白光脉冲探测系统包括：飞秒激光器、分束器、倍频晶体、蓝宝石晶体以及延迟单元；
所述飞秒激光器产生激光脉冲经由分束器分为两束脉冲，分别作为泵浦脉冲和探测脉冲；
倍频晶体和分束器将所述泵浦脉冲光输出为泵浦脉冲光A和泵浦脉冲光B，应用于量子中心超快光激发和光电离过程；
蓝宝石晶体将所述探测脉冲输出为宽光谱的白光探测脉冲光，应用于量子中心光电离后的超快恢复过程；
延迟单元用于控制泵浦脉冲光A、泵浦脉冲光B以及宽光谱的白光探测脉冲光之间的光程差。
进一步地，所述延迟单元由反射镜和延迟台组成，通过调控泵浦脉冲光A、泵浦脉冲光B以及宽光谱的白光探测脉冲光之间的时间间隔，实现量子中心超快电离动力学过程的瞬态测量。
进一步地，所述信号测试系统包括：光谱仪和探测器；
光谱仪用于将显微荧光系统收集的信号光进行分光处理并传输到探测器；
探测器用于将收集到的光信号转换为电信号。
相应地，一种量子中心超快电离动力学过程探测方法：
S1、双脉冲泵浦-白光脉冲探测系统将飞秒激光脉冲输出为三束时序可调的脉冲光进入显微荧光系统；
S2、三束时序可调的脉冲光通过显微荧光系统聚焦在样品上，并收集量子中心在超快电离过程的信号光，滤除激发光；
S3、显微荧光系统的收集的信号光依次进入信号测试系统和信号处理系统进行分析处理；
通过控制延迟单元，调控三束脉冲光之间的时间延迟间隔，确定量子中心光电离的时间过程及电离恢复过程电子态的瞬态信息。
进一步地，三束时序可调的脉冲光为泵浦脉冲光A、泵浦脉冲光B和宽光谱的白光探测脉冲光；泵浦脉冲光A、泵浦脉冲光B和白光探测脉冲光依次进入显微荧光系统。
进一步地，所述泵浦脉冲光A将量子中心从基态光激发至激发态，泵浦脉冲光B激发量子中心进一步电离，两个泵浦脉冲的时间间隔可调性将允许确定量子中心光电离的动力学过程；在两束泵浦脉冲序列之后，所述白光探测脉冲光将电离的量子中心恢复至基态，进行光电离恢复过程的探测，宽光谱探测脉冲有利于获得超快光电离恢复过程的更多信息，通过白光探测脉冲光监测吸收谱，结合量子中心能级结构，获得量子中心电离恢复动力学过程中电子态瞬态信息，分析光激发电离恢复动力学过程。
本发明的有益效果是：
1、本发明在泵浦技术部分，采用双脉冲进行超快光激发电离过程。改变两束泵浦脉冲之间的时间间隔，可以确定量子中心超快光电离的时间过程及电子态动态。
2、本发明在探测技术部分，采用宽光谱的白激光进行电离恢复过程的探测。结合量子中心能级结构，可以获得量子中心超快电离恢复过程的瞬态信息，探索光与物质相互作用的机制。
附图说明
图1是本发明公开的一种量子中心超快电离动力学探测设备结构示意图。
图2是本发明公开的一种双脉冲泵浦-白光脉冲探测系统示意图。
实施方式
下面结合附图1对本发明中量子中心超快电离动力学探测系统进一步详细说明。
本发明中基于改进的泵浦探测技术的超快电离动力学过程探测系统，包括：双脉冲泵浦-白光脉冲探测系统，显微荧光系统，信号测试系统以及信号处理系统；
所述双脉冲泵浦-白光脉冲探测系统主要用于：
输出三束时序可调的脉冲光，其中经由倍频晶体输出的两束作为泵浦脉冲，激发量子中心光电离，经由蓝宝石晶体输出的宽光谱脉冲作为探测脉冲，监测量子中心电离后恢复过程，通过延迟单元控制三束脉冲之间的光程差；
所述显微荧光系统主要用于：
将双脉冲泵浦-白光脉冲探测系统输出的三束时序可调脉冲聚焦到量子中心，激发量子中心进行超快光电离及恢复过程，并收集量子中心在超快电离过程的信号光，滤除激发光；
所述信号测试系统主要用于：
将显微荧光系统收集的信号光通过光谱仪进行分光处理并传输到探测器，探测器将收集到的光信号转换为电信号；
所述信号处理系统主要用于：
将信号测试系统测得的电信号传输到计算机进行处理，分析量子中心超快电离动力学过程中的瞬态信息及电子态动态。
本发明提供的基于双脉冲泵浦-白光脉冲探测的量子中心超快电离动力学过程探测方法，主要包括以下三个主要步骤：
S1、双脉冲泵浦-白光脉冲探测系统将飞秒激光脉冲输出为三束时序可调的脉冲光：泵浦脉冲光A、泵浦脉冲光B和白光探测光，进入显微荧光系统的顺序依次为泵浦脉冲光A、泵浦脉冲光B和白光探测光；
S2、三束时序可调的脉冲光通过显微荧光系统聚焦在样品上，并收集量子中心在超快电离过程的信号光，滤除激发光；
S3、显微荧光系统的收集的信号光依次进入信号测试系统和信号处理系统进行分析处理；
本发明提供的方法中，通过控制延迟单元，可以调控三束脉冲光之间的时间延迟间隔，从而可以确定量子中心光电离的时间过程及电离恢复过程电子态的瞬态信息，即实现对量子中心超快电离动力学过程的探测。
本发明将所述改进的时序脉冲泵浦探测技术拓展应用于所述量子中心的超快光电离动力学过程，具体技术原理如下：
时序可调的双泵浦脉冲激发量子中心光电离过程，探测脉冲探测量子中心电离恢复过程中电子态动态。所述泵浦脉冲光A进行光激发过程，将量子中心从基态激发至激发态；所述泵浦脉冲光B进行光激发后的电离过程，即将量子中心从激发态进一步电离；两个泵浦脉冲的时间间隔可调性将允许探测光激发电离这一超快动力学过程。在两束泵浦脉冲序列之后，所述白光探测脉冲进行电离恢复过程的探测过程，即将电离的量子中心恢复至基态，通过白光探测脉冲光监测吸收谱，结合量子中心能级结构，可以获得量子中心电离恢复动力学过程中电子态瞬态信息，探测电子态动态。
下面结合附图2对本发明中双脉冲泵浦-白光脉冲探测系统和方法进一步详细说明。
图1为本发明中双脉冲泵浦-白光脉冲探测系统示意图，如图1所示，该系统包括：飞秒激光器1、倍频晶体2、蓝宝石晶体3、第一分束单元4、第二分束单元5、第一延迟单元6和第二延迟单元7；
所述飞秒激光器1输出飞秒脉冲光，后经第一分束单元4分为泵浦脉冲光和探测脉冲光；
泵浦脉冲光经倍频晶体2后波长变为原泵浦脉冲光波长的一半，后经第二分束单元5分为泵浦脉冲光A和泵浦脉冲光B，泵浦脉冲光B经由所述第一延迟单元6，通过控制第一延迟单元6来调控两束泵浦脉冲光之间的光程差。
探测脉冲光经蓝宝石晶体3输出为宽光谱的白光探测脉冲光。白光探测脉冲光后经第二延迟单元7，通过控制第二延迟单元7，可以来调控白光探测脉冲光与延迟后泵浦脉冲光B之间的光程差。
入射到量子中心的顺序依次为泵浦脉冲光A、泵浦脉冲光B和白光探测脉冲光。量子中心具体光物理过程为：经过第二分束单元5后的泵浦脉冲光A将量子中心光激发至激发态；泵浦脉冲光B将量子中心进一步电离，通过第一延迟单元6，可以调控泵浦脉冲光B与泵浦脉冲光A之间的时间延迟，从而能够确定量子中心光电离的时间过程；白光探测脉冲光探测电离恢复过程，调控第二延迟单元7，可以调控白光探测脉冲光与泵浦脉冲光B之间的时间延迟，结合量子中心的能级结构和宽光谱白光监测的吸收谱，可以获得量子中心电离恢复过程电子态的瞬态信息。
综上所述，采用本发明提供的系统及方法，能够探测量子中心超快电离动力学过程，进一步地本发明实施方式提供的方法适用于所有基于微观样品的超快光动力学过程测量，获得超快过程中电子态动态和瞬态信息。
需要说明的是，本发明实施例中对模块的划分是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，另外，在本申请系统中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
本领域内的技术人员应明白，本发明的系统及方法可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
因此，虽然本发明以优选实施系统展示如上，但该优选系统并非用以限制本发明，上面的具体描述仅是为了解释本发明的应用方式，本领域的普通技术人员依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改。在不脱离本发明的精神和范围内所做的更动、润饰和等同替换等，均应属于本发明保护的范围内，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。
Claims (7)
1.一种量子中心超快电离动力学过程的探测系统，其特征在于，包括：双脉冲泵浦-白光脉冲探测系统、显微荧光系统、信号测试系统以及信号处理系统；
所述双脉冲泵浦-白光脉冲探测系统用于输出三束时序可调脉冲；
所述显微荧光系统用于将双脉冲泵浦-白光脉冲探测系统输出的三束时序可调脉冲聚焦到量子中心，激发量子中心进行超快光电离及恢复过程，并收集量子中心在超快电离过程的信号光，滤除激发光；
所述信号测试系统用于将显微荧光系统收集的信号光进行分光处理，并将收集到的光信号转换为电信号；
信号处理系统用于将信号测试系统测得的电信号传输到计算机进行处理，分析量子中心超快电离动力学过程中的瞬态信息及电子态动态。
2.根据权利要求1所述的量子中心超快电离动力学过程的探测系统，其特征在于，所述双脉冲泵浦-白光脉冲探测系统包括：飞秒激光器、分束器、倍频晶体、蓝宝石晶体以及延迟单元；
所述飞秒激光器产生激光脉冲经由分束器分为两束脉冲，分别作为泵浦脉冲和探测脉冲；
倍频晶体和分束器将所述泵浦脉冲光输出为泵浦脉冲光A和泵浦脉冲光B，应用于量子中心超快光激发和光电离过程；
蓝宝石晶体将所述探测脉冲输出为宽光谱的白光探测脉冲光，应用于量子中心光电离后的超快恢复过程；
延迟单元用于控制泵浦脉冲光A、泵浦脉冲光B以及宽光谱的白光探测脉冲光之间的光程差。
3.根据权利要求2所述的量子中心超快电离动力学过程的探测系统，其特征在于，所述延迟单元由反射镜和延迟台组成，通过调控泵浦脉冲光A、泵浦脉冲光B以及宽光谱的白光探测脉冲光之间的时间间隔，实现量子中心超快电离动力学过程的瞬态测量。
4.根据权利要求1所述的量子中心超快电离动力学过程的探测系统，其特征在于，所述信号测试系统包括：光谱仪和探测器；
光谱仪用于将显微荧光系统收集的信号光进行分光处理并传输到探测器；
探测器用于将收集到的光信号转换为电信号。
5.一种量子中心超快电离动力学过程探测方法，其步骤特征在于：
S1、双脉冲泵浦-白光脉冲探测系统将飞秒激光脉冲输出为三束时序可调的脉冲光进入显微荧光系统；
S2、三束时序可调的脉冲光通过显微荧光系统聚焦在样品上，并收集量子中心在超快电离过程的信号光，滤除激发光；
S3、显微荧光系统的收集的信号光依次进入信号测试系统和信号处理系统进行分析处理；
通过控制延迟单元，调控三束脉冲光之间的时间延迟间隔，确定量子中心光电离的时间过程及电离恢复过程电子态的瞬态信息。
6.根据权利要求5所述的量子中心超快电离动力学过程探测方法，其特征在于：
三束时序可调的脉冲光为泵浦脉冲光A、泵浦脉冲光B和宽光谱的白光探测脉冲光；泵浦脉冲光A、泵浦脉冲光B和白光探测脉冲光依次进入显微荧光系统。
7.根据权利要求6所述的量子中心超快电离动力学过程探测方法，其特征在于：
所述泵浦脉冲光A将量子中心从基态光激发至激发态，泵浦脉冲光B激发量子中心进一步电离，两个泵浦脉冲的时间间隔可调性将允许确定量子中心光电离的动力学过程；在两束泵浦脉冲序列之后，所述白光探测脉冲光将电离的量子中心恢复至基态，进行光电离恢复过程的探测，宽光谱探测脉冲有利于获得超快光电离恢复过程的更多信息，通过白光探测脉冲光监测吸收谱，结合量子中心能级结构，获得量子中心电离恢复动力学过程中电子态瞬态信息，分析光激发电离恢复动力学过程。
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