CN207850910U - 一种飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪，包括：飞秒激光放大器、光学参量放大器、斩波器、时间延迟装置、1/2波片、光纤、棱镜对、提升镜、光谱仪、第一分束片、第二分束片、第一光纤适配器、第二光纤适配器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜、第九反射镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜。本方案的瞬态吸收光谱探测范围宽，光谱连续性好，光谱平坦度好，高稳定性，高相干性(产生的超连续白光光谱具有很高的相干性，从而使得该光谱仪具有很高的时间分辨率)，可广泛应用于光谱仪领域。

Description

一种飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪

技术领域

本实用新型涉及光谱仪领域，具体为飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪。

背景技术

瞬态吸收光谱技术采用一束较强的泵浦光脉冲将样品分子泵浦到激发态，并用另一束较弱的探测光脉冲来探测激发态样品对探测光的吸收情况，通过测量不同泵浦-探测时延延迟下样品的吸收光谱，得到样品的瞬态动力学信息。其在物理、化学以及生物、医学和材料等领域都有着重要的应用价值。

为了提高瞬态吸收光谱仪的探测效率和信噪比，实验上通常将超短激光脉冲聚焦到白光产生器件上，以产生超连续白光源作为探测光和参考光，由于超连续白光源具有十分宽的光谱宽度，因而可同时探测样品分子对不同频率光谱的吸收情况，极大地提高了探测效率。

目前，用于瞬态吸收光谱仪的超连续白光源多采用超短激光脉冲泵浦非线性块状晶体(如：蓝宝石晶体、CaF₂晶体等)进行产生。由于超短激光脉冲与非线性块状晶体作用时的相互作用长度较短，因而需要较高的泵浦光功率，以获取较大的光谱展宽量；同时泵浦光转化为超连续谱的效率也较低，导致产生的超连续谱时光谱平坦度极差——泵浦光波长附近光谱极强、远离泵浦光波长处的光谱极弱，因而在实际应用中需采用滤光片将未耗尽的泵浦光滤除，以消除多光子效应等对瞬态吸收光谱的影响。采用此种方法产生超连续白光源，超连续谱的转换效率较低以及光能利用率较低，因而对激光器的参数要求较高，同时也增加了设备成本。

为此，已有学者提出采用超短激光脉冲泵浦非线性光子晶体光纤来产生超连续白光源，作为瞬态吸收光谱仪中的探测光和参考光，由于光子晶体光纤的高非线性，因而在极低的泵浦光功率时即可获得较大光谱展宽量。为了获得较大的光谱展宽量，光子晶体光纤常泵浦在其靠近零色散点的反常色散区内，光谱展宽主要与孤子分裂、孤子自频移等非线性效应有关，而孤子动态过程会造成超连续白光的光谱平坦度以及光谱连续性较差，且超连续中各频成分到达样品的时间不一致(相干性较差)，极大地降低了瞬态吸收光谱仪的时间分辨率。

然而，现有的时间分辨飞秒瞬态吸收光谱仪采用超短激光脉冲泵浦非线性块状晶体或普通光子晶体光纤，将产生的超连续白光源作为探测光和参考光，由于产生的超连续白光源的光谱连续性、光谱平坦度较差以及相干性较差，因而尚不能在保证较高时间分辨率的前提下，在较宽的光谱范围内有效地获取样品的瞬态吸收光谱。

综上，该技术有必要进行改进。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种旨在解决现有飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪没有光谱连续性、光谱平坦度以及相干性均较佳的超连续白光源作为探测光和参考光的飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪。

本实用新型所采用的技术方案是：

本实用新型提供一种飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪，包括：飞秒激光放大器、光学参量放大器、斩波器、时间延迟装置、1/2波片、光纤、棱镜对、提升镜、光谱仪、第一分束片、第二分束片、第一光纤适配器、第二光纤适配器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜、第九反射镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜；

其中，飞秒激光放大器输出的飞秒脉冲激光经第一分束片分为两束激光，其中一束激光经第一反射镜反射至光学参量放大器，产生波长可调谐的飞秒脉冲激光，然后经第二反射镜反射至斩波器，通过的激光脉冲经第三反射镜反射至时间延迟装置，所述时间延迟装置与电脑连接；其中光通过所述时间延迟装置后传输至第五透镜聚焦后光分别通过第八反射镜、第九反射镜反射至样品；

另一束激光经第四反射镜、第五反射镜反射至1/2波片，然后传输至第一透镜，在所述第一透镜聚焦后通过光纤传输至第二透镜，通过所述第二透镜准直后通过棱镜对传输至提升镜以提升光束，所述提升光束再次经过棱镜对并传输至第六反射镜，然后反射至第二分束片生成第一光束和第二光束，其中第一光束经过第三透镜聚焦后传输至样品，其中传输至样品的光通过第四透镜传输至第一光纤适配器；第二光束通过第七反射镜反射至第二光纤适配器，所述各光纤适配器均通过光谱仪与电脑连接。

作为该技术方案的改进，各反射镜及各分束片均与水平面成45度角。

作为该技术方案的改进，所述第一分束片与第四反射镜平行放置。

作为该技术方案的改进，所述第二分束片与第七反射镜平行放置。

进一步地，所述光纤为全正色散光子晶体光纤。

进一步地，所述全正色散光子晶体光纤用以产生超连续光谱。

进一步地，所述斩波器用来提高瞬态吸收光谱的信噪比。

进一步地，所述时间延迟装置用于调节泵浦光脉冲和探测光脉冲间的时间延迟，以获得不同时间延迟下样品的瞬态吸收光谱。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的该飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪，通过将各器件进行有序连接设计，可以达到对材料的电子能级结构、激发态能量转移以及光化学过程中激发态和短寿命中间体的演化进行定性或定量的研究，包括激发能转移、激发态寿命以及反应动力学以及等。与现有的技术相比，本方案的瞬态吸收光谱探测范围宽(覆盖可见光和近红外波段，因而光谱探测范围极宽)，光谱连续性好(不会出现本应该有吸收谱的地方，由于超连续白光光谱的部分光谱缺失，导致无法进行有效地瞬态吸收光谱探测)，光谱平坦度好(无须采用滤光片滤除抽运光，即可避免双光子等效应对瞬态吸收光谱的影响，同时也具有很高的光能利用率)，高稳定性(超连续白光光谱的产生与孤子动态效应无关，因而不会通过调制不稳定性来放大激光器的脉冲噪声，具有很高的稳定性)，高相干性(产生的超连续白光光谱具有很高的相干性，从而使得该光谱仪具有很高的时间分辨率)。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明：

图1是本实用新型一实施例的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参照图1，本实用新型提供一种飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪，包括：飞秒激光放大器、光学参量放大器、斩波器23、时间延迟装置25、1/2波片5、光纤7、棱镜对19、提升镜20、光谱仪16、第一分束片1、第二分束片21、第一光纤适配器15、第二光纤适配器14、第一反射镜4、第二反射镜22、第三反射镜24、第四反射镜2、第五反射镜3、第六反射镜18、第七反射镜8、第八反射镜10、第九反射镜11、第一透镜6、第二透镜17、第三透镜9、第四透镜26、第五透镜12；

其中，飞秒激光放大器输出的飞秒脉冲激光经第一分束片1分为两束激光，其中一束激光经第一反射镜4反射至光学参量放大器，产生波长可调谐的飞秒脉冲激光，然后经第二反射镜22反射至斩波器23，通过的激光脉冲经第三反射镜24反射至时间延迟装置25，所述时间延迟装置25与电脑连接；其中光通过所述时间延迟装置25后传输至第五透镜12聚焦后光分别通过第八反射镜10、第九反射镜11反射至样品13；

另一束激光经第四反射镜2、第五反射镜3反射至1/2波片5，然后传输至第一透镜6，在所述第一透镜6聚焦后通过光纤7传输至第二透镜17，通过所述第二透镜17准直后通过棱镜对19传输至提升镜20以提升光束，所述提升光束再次经过棱镜对19并传输至第六反射镜18，然后反射至第二分束片21生成第一光束和第二光束，其中第一光束经过第三透镜9聚焦后传输至样品13，其中传输至样品13的光通过第四透镜26传输至第一光纤适配器15；第二光束通过第七反射镜8反射至第二光纤适配器14，所述各光纤适配器均通过光谱仪16与电脑连接。

其中，各反射镜及各分束片均与水平面成45度角。

优选的，所述第一分束片1与第四反射镜2平行放置。

优选的，所述第二分束片21与第七反射镜8平行放置。

优选的，所述光纤7为全正色散光子晶体光纤。

优选的，所述全正色散光子晶体光纤用以产生超连续光谱。

优选的，所述斩波器23用来提高瞬态吸收光谱的信噪比。

进一步地，所述时间延迟装置25用于调节泵浦光脉冲和探测光脉冲间的时间延迟，以获得不同时间延迟下样品13的瞬态吸收光谱。

作为一具体实施例，一种基于全正色散光子晶体光纤的飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪，包括：

飞秒激光放大器，用以输出飞秒脉冲激光；

分光单元，用于将飞秒脉冲激光分成独立传播的两束激光；

光学参量放大器，位于其中一光束的光路上，用以产生波长可调谐的飞秒脉冲激光，作为瞬态吸收光谱仪的泵浦光；斩波器，位于该束光的光路上，使奇数个激光脉冲通过、偶数个激光脉冲被遮挡，用来提高瞬态吸收光谱的信噪比；时间延迟装置，位于该光路上，用来调节泵浦光脉冲和探测光(参考光)脉冲间的时间延迟，以获得不同时间延迟下样品的瞬态吸收光谱；

半波片，用于调节入射光束的偏振方向；

消色差透镜，用于光束的聚焦与准直；

全正色散光子晶体光纤，位于另一光束的光路上，用以产生具有较好时间频谱结构的超连续光谱；棱镜对，位于该路光束的光路上，用于对产生的超连续白光光谱进行色散补偿，使超连续光谱中不同频谱成分几乎同时到达样品；

光谱仪，用于采集探测光和参考光的光谱分布，以获得具有较高信噪比的瞬态吸收光谱。

将全正色散光子晶体光纤代替块状非线性晶体进行超连续白光源的产生，并采用棱镜对(或光栅对)对产生的超连续进行色散补偿后，作为飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪的探测光和参考光。采用全正色散光子晶体光纤产生的超连续白光光谱，具有很好的光谱连续性、光谱平坦度和相干性，并且具有高稳定性和高光能利用率等优点。

本方案将超短激光脉冲泵浦全正色散光子晶体光纤产生的超连续白光，经色散补偿后应用于飞秒时间分辨瞬态吸收光仪。

本实用新型提供的该飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪，通过将各器件进行有序连接设计，可以达到对材料的电子能级结构、激发态能量转移以及光化学过程中激发态和短寿命中间体的演化进行定性或定量的研究，包括激发能转移、激发态寿命以及反应动力学以及等。与现有的技术相比，本方案的瞬态吸收光谱探测范围宽(覆盖可见光和近红外波段，因而光谱探测范围极宽)，光谱连续性好(不会出现本应该有吸收谱的地方，由于超连续白光光谱的部分光谱缺失，导致无法进行探测)，光谱平坦度好(无须采用滤光片滤除抽运光，即可避免双光子等效应对瞬态吸收光谱的影响，同时也具有很高的光能利用率)，高稳定性(超连续白光光谱的产生与孤子动态效应无关，因而不会通过调制不稳定性来放大激光器的脉冲噪声，具有很高的稳定性)，高相干性(产生的超连续白光光谱具有很高的相干性，从而使得该光谱仪具有很高的时间分辨率)。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪，其特征在于，包括：飞秒激光放大器、光学参量放大器、斩波器、时间延迟装置、1/2波片、光纤、棱镜对、提升镜、光谱仪、第一分束片、第二分束片、第一光纤适配器、第二光纤适配器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜、第九反射镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜；

其中，飞秒激光放大器输出的飞秒脉冲激光经第一分束片分为两束激光，其中一束激光经第一反射镜反射至光学参量放大器，产生波长可调谐的飞秒脉冲激光，然后经第二反射镜反射至斩波器，通过的激光脉冲经第三反射镜反射至时间延迟装置，所述时间延迟装置与电脑连接；其中光通过所述时间延迟装置后传输至第五透镜聚焦后光分别通过第八反射镜、第九反射镜反射至样品；

另一束激光经第四反射镜、第五反射镜反射至1/2波片，然后传输至第一透镜，在所述第一透镜聚焦后通过光纤传输至第二透镜，通过所述第二透镜准直后通过棱镜对传输至提升镜以提升光束，所述提升光束再次经过棱镜对并传输至第六反射镜，然后反射至第二分束片生成第一光束和第二光束，其中第一光束经过第三透镜聚焦后传输至样品，其中传输至样品的光通过第四透镜传输至第一光纤适配器；第二光束通过第七反射镜反射至第二光纤适配器，所述各光纤适配器均通过光谱仪与电脑连接。

2.根据权利要求1所述的飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪，其特征在于：各反射镜及各分束片均与水平面成45度角。

3.根据权利要求1或2所述的飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪，其特征在于：所述第一分束片与第四反射镜平行放置。

4.根据权利要求3所述的飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪，其特征在于：所述第二分束片与第七反射镜平行放置。

5.根据权利要求4所述的飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪，其特征在于：所述光纤为全正色散光子晶体光纤。

6.根据权利要求5所述的飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪，其特征在于：所述全正色散光子晶体光纤用以产生超连续光谱。

7.根据权利要求5所述的飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪，其特征在于：所述斩波器用来提高瞬态吸收光谱的信噪比。

8.根据权利要求7所述的飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪，其特征在于：所述时间延迟装置用于调节泵浦光脉冲和探测光脉冲间的时间延迟，以获得不同时间延迟下样品的瞬态吸收光谱。