CN1391145A - 一种飞秒超快过程的测量方法及装置 - Google Patents

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吕少哲
王海宇
秦伟平
张家骅
黄世华
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Abstract

本发明涉及发光动力学飞秒超快过程的测量方法及装置，包括光源、分束镜、机械延迟线、反射镜、气源、气室、柱面镜、染料泵、、染料池、输出镜、气体延迟线、记录仪等，可以使纳秒(ns)激光脉冲激光器的输出提高到皮秒(ps)、飞秒(fs)激光脉冲，本发明测量精度由ps到fs提高了几个输出数量级如：纵向弛豫时间T1、载流子扩散过程、三阶非线性系数、失相时间T2等。测量装置具有动态范围大，稳定和灵敏度高等优点。本发明对发光动力学的超快研究提供了简便适用的手段，可进行短至飞秒量级超快过程的测量。无需购买价格昂贵的飞秒激光器，即可完成对飞秒量级超快过程进行测量并可以推广使用。

Description

一种飞秒超快过程的测量方法及装置
技术领域：本发明属于超快光学非线性光谱技术领域，涉及有关发光动力学飞秒超快过程的测量方法及装置。
背景技术：近年来，超快光学越来越受到人们的重视，因为超快过程的研究对了解物理、化学和生物体系分子和原子激发态、动力学的过程也越来越深入了。如发展的光学相干控制实验方法，研究半导体表面，有机溶液中的量子动力学过程，时间尺度在几百个阿秒(as)。因此，超快速测量方法就显得越来越重要。超快速过程的测量通常用超快脉冲光进行。当用相干光脉冲测量动力学过程时，其时间分辨主要由脉冲宽度决定。即要测皮秒(ps)过程必须用短于ps的脉冲，要测飞秒(fs)过程必须用短于fs的脉冲。
近些年发展了一种非线性光谱技术，背景技术用双光源相位共轭型非相干光时间延迟四波混频测量超快速过程(张希清，黄世华，发光学报，1993 14(3)225)，即非相干光时间延迟四波混频(TDFWM)方法，所用的非相干光源很容易从普通的激光器中得到。
本发明的目的是解决背景技术测量精度低，测量动态范围小，价格昂贵等问题，将提供一种用于超快光学非线性光谱技术领域的飞秒超快过程的测量方法及装置。
发明内容：如图1所示本发明是利用光源1泵浦染料形成染料激光，把染料激光进行频谱展宽后形成短的相干时间τc＝1/2πΔγ，Δγ是频谱宽度，再使染料激光分成两路，一路染料激光进入气体延迟线，利用气体折射率的变化改变光程形成具有时间延迟的探测光束I2，使探测光束I2照射在样品上；另一路染料激光进入机械延迟线后又分成两路，其中一路作为前向泵浦光，另一路作为后向泵浦光；前向泵浦光I1与探测光束I2两者相干后在样品上形成瞬态光栅，瞬态光栅对后向泵浦光I3进行衍射，使前向泵浦光I1与探测光束I2之间有时间延迟并形成相干光，利用相干光互相作用后产生调制相干光的强度去激发样品，并在样品中形成瞬态光栅，用瞬态光栅的特性反映样品中的原子分子的激发态性质，使探测光束I2探测瞬态光栅将得到衍射波Is，衍射波Is记录了样品快过程的光谱信息，从而达到对样品的飞秒超快过程的测量。
本发明的测量装置，包括光源1、倍频晶体2、分束器3、分束镜4、机械延迟线5、分束镜6、反射镜7、样品8、反射镜9、分束镜10、反射镜11、驱动电源12、示波器13、聚光镜14、光谱仪15、光电倍增管16、气源17、气室18、柱面镜19、染料泵20、反射镜21、染料池22、输出镜23、气体延迟线24、记录仪25，在分束器3输出光束线中置有柱面镜19，柱面镜19将分束器3的激光汇聚在染料池22上，染料泵20的输出端与染料池22的输入端连接使染料进入染料池22，染料池22的两个侧面分别置有反射镜21和输出镜23，使分束器3的泵浦光泵浦染料后形成激光腔；在输出镜23和机械延迟线5之间置有分束镜4；分束镜4的反射光束与气体延迟线24的一个输入端连接使反射光束穿过气体延迟线24；在气体延迟线24的输出端与分束镜10之间置有反射镜11，气源17的输出端与气室18输入端连接使气体进入气室18，气室18的输出端与气体延迟线24的另一输入端连接使气体进入气体延迟线24，气室18的另一输出端和记录仪25连接，记录仪25记录气体压力的变化，记录仪25和光谱仪15之间有光电倍增管16用于接收信号，光电倍增管16的另一端和光源1之间有示波器13用来监测激光脉冲和发光波形，驱动电源12与机械延迟线5连接使机械延迟线改变路程。
本发明工作时：用染料泵循环染料，打开气源17，慢慢打开气室18的放气阀使气室18充满氮气，由光源1输出1.06μm的激光由倍频晶体2和分束器3输出532nm激光作为泵浦光，用柱面镜19使泵浦光聚焦在装有罗丹明6G染料池22的中心，经调整反射镜21和输出镜23形成激光腔使激光输出，其中一路经机械延迟线5又分为两个光路I1和I3，另一路是通过气体延迟线24(GDL)来延迟的光路其光束为I2，I1、I2和I3三束光作用在样品8上，此时通过机械延迟线5调整三束光光程相等由样品8返回的信号IS在分束镜10和聚光镜14之间放一纸观察由样品8返回的信号达到最强，然后打开气室18的放气阀门使气体充满气体延迟线24(GDL)后关闭气室18的进气阀门，打开气室18的放气阀门同时由记录仪25记录气压变化的曲线和同时记录由分束镜10取出的信号由聚光镜14收集进入光谱仪15分光后由光电倍增管16接收的信号。
本发明的优点是以研究发光动力学超快过程为目的，在普通的纳秒激光器的基础上进行改进，使它成为能测量飞秒过程的一种新技术，并为许多具有ns脉冲激光器，甚至连续激光器探测超快过程提供了简便有效的非线性光谱技术。本发明与背景技术相比在非相干光源进行四波混频测试基础上测量精度提高了几个数量级(由ps到fs)，如：纵向弛豫时间T1、载流子扩散过程、三阶非线性系数、失相时间T2等。测量装置具有动态范围大，稳定和灵敏度高等优点。既在系统中配置了的染料激光器和气体延迟线，可以使输出纳秒(ns)激光脉冲的激光器提高到输出皮秒(ps)、飞秒(fs)脉冲。本发明对发光动力学的超快研究提供了简便适用的手段，可进行短至飞秒量级超快过程的测量。无需购买价格昂贵的飞秒激光器，即可对飞秒量级超快过程进行测量并可以推广使用。
在使用中利用增加宽带染料激光器，使相干时间变短，利用气体延迟线进行精确的时间范围的测量。可用于测量样品的失相时间T2，对于其中的气体延迟线，气压改变0.1mv相当于延迟时间改变1.047fs。如果我们用一个更高精度的气体压力传感器，它能够很容易的分辨到几十个阿秒(as)，甚至几个as。
附图说明：
图1是本发明装置实施例的结构原理图
具体实施方式如图1所示：
本发明装置中的光源1采用纳秒Q开关YAG：Nd脉冲激光器基频光1.06μm。倍频晶体2可选用二倍频的倍频晶体，倍频晶体输出532nm激光经分束器3作为泵浦光源。分束镜4是采用60％的反射光。机械延迟线5的延迟路程为20cm，延迟线精度为每步0.1毫米。分束镜6和分束镜10是采用半透半反镜，反射镜7、9、11是采用全反镜。样品8是被测量的透光性非线性材料。驱动电源12采用12v直流电源用于驱动机械延迟线5。示波器13是采用100MHZ-3243型示波器。聚光镜14是采用石英透镜。光谱仪15是选用1403型双光栅单色仪。光电倍增管16是选用R955型。气源17是120大气压的氮气。气室18最大压力106pa并带有压力传感器以测量实验中的气压值，精度为0.1mv，相当于0.47Kpa，气室18还带有气体进气调节阀、放气阀以便调节所需气体的流量。柱面镜19和染料池22采用石英材料制成；染料泵20由12v直流电源驱动进行染料循环。反射镜21采用平面镀铝硬膜反射镜。输出镜23为光学波片。气体延迟线24是一直径5cm两侧带有石英窗口的密封性好的铜管并且在铜管上方有一进气口与气室18连接使气体充满气体延迟线24。记录仪25是采用X-T记录仪。

Claims (2)

1、一种飞秒超快过程的测量方法及装置，其特征在于：利用光源1泵浦染料形成染料激光，把染料激光进行频谱展宽后形成短的相干时间τc＝1/2πΔγ，再使染料激光分成两路，一路染料激光进入气体延迟线，利用气体折射率的变化改变光程形成具有时间延迟的探测光束I2，使探测光束I2照射在样品上；另一路染料激光进入机械延迟线后又分成两路，其中一路作为前向泵浦光，另一路作为后向泵浦光；前向泵浦光I1与探测光束I2两者相干后在样品上形成瞬态光栅，瞬态光栅对后向泵浦光I3进行衍射，使前向泵浦光I1与探测光束I2之间有时间延迟并形成相干光，利用相干光互相作用后产生调制相干光的强度去激发样品，并在样品中形成瞬态光栅，用瞬态光栅的特性反映样品中的原子分子的激发态性质，使探测光束I2探测瞬态光栅将得到衍射波Is，衍射波Is记录了样品快过程的光谱信息，从而达到对样品的飞秒超快过程的测量。
2、根据权利要求1所述飞秒超快过程的测量装置，包括光源1、倍频晶体2、分束器3、分束镜4、机械延迟线5、分束镜6、反射镜7、样品8、反射镜9、分束镜10、反射镜11、驱动电源12、示波器13、聚光镜14、光谱仪15、光电倍增管16、记录仪25，其特征在于：还包括气源17、气室18、柱面镜19、染料泵20、反射镜21、染料池22、输出镜23、气体延迟线24，在分束器3输出光束线中置有柱面镜19，柱面镜19将分束器3的激光汇聚在染料池22上，染料泵20的输出端与染料池22的输入端连接使染料进入染料池22，染料池22的两个侧面分别置有反射镜21和输出镜23，使分束器3的泵浦光泵浦染料后形成激光腔；在输出镜23和机械延迟线5之间置有分束镜4；分束镜4的反射光束与气体延迟线24的一个输入端连接使反射光束穿过气体延迟线24；在气体延迟线24的输出端与分束镜10之间置有反射镜11，气源17的输出端与气室18输入端连接使气体进入气室18，气室18的输出端与气体延迟线24的另一输入端连接使气体进入气体延迟线24，气室18的另一输出端和记录仪25连接，记录仪25记录气体压力的变化。
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