CN208155454U - 飞秒时间分辨泵浦和宽带时间分辨cars二合一光谱仪系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种飞秒时间分辨泵浦和宽带时间分辨CARS二合一光谱仪系统，包括光学平板、第一光源入口、第二光源入口、第一光路系统、第二光路系统和光谱检测系统。本实用新型涉及光谱仪技术领域，一种飞秒时间分辨泵浦和宽带时间分辨CARS二合一光谱仪系统，利用光学平板及各种光学元器件，实现该光谱仪的模块化，成本低，结构简单，将飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪和宽带时间分辨CARS光谱仪相结合，更方便操作人员调节，易于推广和应用。
Description
技术领域
本实用新型涉及光谱仪技术领域，尤其涉及一种飞秒时间分辨泵浦和宽带时间分辨CARS二合一光谱仪系统。
背景技术
飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪采用泵浦光脉冲将样品分子泵浦到激发态，通过记录随后到达的探测光经过样品前后的光强度变化，来研究被激发样品的光学参量随延迟时间变化的规律。飞秒时间分辨瞬态吸收光谱技术是研究物质激发态能级结构以及激发态能力弛豫过程的强有力工具，在物理、化学、材料和生物等领域均有着广泛的应用，如光物理过程、光化学反应、生物化学过程、光催化反应等。
CARS光谱仪通过记录光与物质分子相互作用过程中新生频谱成分的频率、偏振、强度等信息来反应散射物质的分子结构及其性质，因而可以在无需引入外源性标记物的情况下，对样品分子进行有效的识别和定位。更进一步地，宽带CARS光谱仪可同时激发样品分子中的多个甚至是所有的拉曼振动键，从而获得其完整的CAR光谱信息，进而展开对活体细胞内不同种类生物分子的结构和功能等方面的研究，这对生命科学、细胞分子生物学的发展具有重大的意义。
现有的飞秒时间分辨泵浦探测光谱仪和宽带时间分辨CARS光谱仪都是独立的光学系统，因而需要单独配备相应的激光谱系统以及搭建相应的光学系统。而在光物理过程、光化学反应及生物医学等研究中，会经常使用到飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪和宽带时间分辨CARS 光谱仪，此时搭建飞秒时间分辨泵浦探测光谱仪和宽带时间分辨CARS 光谱仪，不仅需要即为专业的实验人员进行操作和维护，且系统昂贵、庞大、复杂，不利于飞秒瞬态吸收光谱技术和宽带CARS光谱技术的推广和应用。
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成本低、结构简单的飞秒时间分辨泵浦和宽带时间分辨CARS二合一光谱仪系统，易于推广和应用。
本实用新型所采用的技术方案是：一种飞秒时间分辨泵浦和宽带时间分辨CARS二合一光谱仪系统，包括光学平板、第一光源入口、第二光源入口、第一光路系统、第二光路系统和光谱检测系统，
所述光谱仪系统中的所有光学元器件都置于所述光学平板上；
第一光路系统，包括第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一半波片、第一透镜、光子晶体光纤、第二透镜、第三平面反射镜、棱镜对、提升镜、分束镜和第五平面反射镜；
所述第一光源入口作为第一激光入口，所述第一激光经过第一平面反射镜和第二平面反射镜反射后，通过第一半波片，由第一透镜会聚到所述光子晶体光纤的一端，所述光子晶体光纤将所述第一激光转换成超连续谱激光，所述超连续谱激光由所述光子晶体光纤的另一端出射，经过第二透镜准直输出至棱镜对，通过棱镜对输出到提升镜以提升光束，所述提升光束再次经过棱镜对并传输至第三平面反射镜，反射至分束镜分成第一反射光和第一透射光；
第二光路系统，包括光开关、第六平面反射镜、第七平面反射镜、第二半波片、光线延迟装置、第八平面反射镜和二向色镜；所述第二光源入口作为第二激光入口，所述第二激光通过光开关后，经由第六平面反射镜和第七平面反射镜反射至第二半波片，通过第二半波片后进入光线延迟装置，由光线延迟装置出射的第二激光经过第八平面反射镜反射至二向色镜；
所述光谱仪系统还包括第一物镜和第二物镜，所述第一透射光经由所述第五平面反射镜反射至二向色镜，通过二向色镜和第一物镜后到达待测样品上，所述第二激光经过二向色镜反射，再通过第一物镜到达待测样品上，所述二向色镜用于将所述第一透射光和所述第二激光进行合束，所述第二物镜收集通过待测样品的激光；
光谱检测系统，包括滤光装置、光谱仪、第一适配器、第二适配器、第一传导光纤和第二传导光纤，所述提升光束通过所述分束镜反射的第一反射光经由第一适配器和第一传导光纤到达光谱仪，所述第二物镜收集通过待测样品的激光后再通过滤光装置注入第二适配器，经由第二适配器和第二传导光纤到达光谱仪；
所述滤光装置包括可切换的长波通滤光片组和短波通滤光片组，当采用长波通滤光片组滤波时，光谱仪采集的信号为飞秒时间分辨瞬态吸收光谱，当采用短波通滤光片组时，光谱仪采集的信号为宽带时间分辨CARS光谱。
作为上述方案的进一步改进，所述光学平板为不锈钢材料或硬铝材料。
作为上述方案的进一步改进，所述第一透镜为非球面镜。
作为上述方案的进一步改进，所述第二透镜为宽带消色差双胶合透镜。
作为上述方案的进一步改进，所述光子晶体光纤为全正色散光子晶体光纤。
作为上述方案的进一步改进，所述棱镜对为色散补偿棱镜对，所述棱镜对包括平行放置的第一棱镜和第二棱镜。
作为上述方案的进一步改进，所述滤光装置还包括滤光片转轮，所述滤光片转轮上安装有所述长波通滤光片组和短波通滤光片组，用于切换长波通滤光片组和短波通滤光片组进入通光位置。
作为上述方案的进一步改进，所述光线延迟装置包括水平移动台和两个相互垂直的平面反射镜。
作为上述方案的进一步改进，当光谱仪系统作为飞秒时间分辨泵浦光谱仪时，所述第一激光经由所述光子晶体光纤转换成超连续谱激光作为探测光，当光谱仪系统作为宽带时间分辨CARS光谱仪时，所述第一激光经由所述光子晶体光纤转换成超连续谱激光作为泵浦光和斯托克斯光。
作为上述方案的进一步改进，当光谱仪系统作为飞秒时间分辨泵浦光谱仪时，所述第二激光作为泵浦光，当光谱仪系统作为宽带时间分辨CARS光谱仪时，所述第二激光作为探测光。
本实用新型的有益效果是：
一种飞秒时间分辨泵浦和宽带时间分辨CARS二合一光谱仪系统，利用光学平板及各种光学元器件，实现该光谱仪的模块化，成本低，结构简单，将飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪和宽带时间分辨CARS光谱仪相结合，更方便操作人员调节，易于推广和应用。
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是本实用新型一种飞秒时间分辨泵浦和宽带时间分辨CARS 二合一光谱仪系统结构示意图；
图2是本实用新型飞秒分辨泵浦光谱仪和宽带时间分辨CARS光谱仪切换示意图。
其中，1-光学平板；2-第一光源入口；3-第二光源入口；4-待测样品；M1-第一平面反射镜；M2-第二平面反射镜；M3-第三平面反射镜；M4-提升镜；M5-第五平面反射镜；M6-第六平面反射镜；M7-第七平面反射镜；M8-第八平面反射镜；H1-第一半波片；H2-第二半波片；L1-第一透镜；L2-第二透镜；A1-光子晶体光纤；P1-棱镜对；BS-分束镜；DM-二向色镜；O1-第一物镜；O2-第二物镜；OS光开关；Delay- 光线延迟装置；FW-滤光装置；D1-第一适配器；D2-第二适配器；F1- 第一传导光纤；F2-第二传导光纤；Spec-光谱仪。
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。
图1是本实用新型一种飞秒时间分辨泵浦和宽带时间分辨CARS 二合一光谱仪系统结构示意图，参照图1，一种飞秒时间分辨泵浦和宽带时间分辨CARS二合一光谱仪系统，包括光学平板1、第一光源入口2、第二光源入口3、第一光路系统、第二光路系统和光谱检测系统，其中，该光谱仪系统中的所有光学元器件都置于光学平板1上，且都安装到确定的位置，使之模块化，本实施例中，光学平板1为不锈钢材料或者硬铝材料。
具体的，第一光路系统包括第一平面反射镜M1、第二平面反射镜M2、第一半波片H1、第一透镜L1、光子晶体光学A1、第二透镜 L2、第三平面反射镜M3、棱镜对P1、提升镜M4、分束镜BS和第五平面反射镜M5，第一光源入口1作为第一激光入口，第一平面反射镜M1和第二平面反射镜M2相互平行放置，且均与水平面成45°角，第一激光采用飞秒激光脉冲，第一激光经过第一平面反射镜M1和第二平面反射镜M2反射后，通过第一半波片H1，第一半波片H1用于调节入射第一激光的偏振态，然后通过第一透镜L1会聚到光子晶体光学A1的一端，本实施例中，第一透镜L1为非球面镜，用于将入射第一激光聚焦并注入到光子晶体光纤A1中，光子晶体光纤A1为全正色散光子晶体光纤，用于产生具有较好时谱激光的超连续谱激光，光子晶体光纤A1将第一激光转换成超连续谱激光，超连续谱激光由光子晶体光纤A2的另一端出射，经过第二透镜L2准直输出至棱镜对 P1，本实施例中，第二透镜L2为宽带消色差双胶合透镜，用于准直光子晶体光纤A2产生的超连续谱激光，通过棱镜对P1输出到提升镜 M4以提升光束，提升光束再次经过棱镜对P1并传输至第三平面反射镜M3，然后反射至分束镜BS分成第一反射光和第一透射光。
本实施例中，优选的，棱镜对P1为色散补偿棱镜对，包括相互平行放置的第一棱镜和第二棱镜，棱镜对P1用于对超连续谱激光进行色散补偿。
具体的，第二光路系统，包括光开关OS、第六平面反射镜M6、第七平面反射镜M7、第二半波片H2、光线延迟装置Delay、第八平面反射镜M8和二向色镜DM，其中，第二光源入口3作为第二激光入口，第二激光采用波长可调谐的飞秒激光脉冲，第二激光通过光开关 OS后，经由第六平面反射镜M6和第七平面反射镜M7反射至第二半波片H2，通过第二半波片H2后进入光线延迟装置Delay，由光线延迟装置Delay出射的第二激光经过第八平面反射镜M8反射至二向色镜DM，其中，第八平面反射镜M8与二向色镜DM相互垂直，二向色镜DM和第八平面反射镜M8均与水平面成45°角，本实施例中，具体的，光线延迟装置Delay包括水平移动台和两个相互垂直的平面反射镜或者中空回射器，两个平面反射镜均与水平面成45°角。
该光谱仪系统还包括第一物镜O1和第二物镜O2，第五平面反射镜M5与分束镜BS相互平行放置，第五平面反射镜M5和分束镜BS均与水平面成45°角，二向色镜DM与第五平面反射镜M5相互垂直，第一透射光经由第五平面反射镜M5反射至二向色镜DM，再通过二向色镜和第一物镜O1到达待测样品4上；第二激光经过二向色镜DM反射，再通过第一物镜O1到达待测样品4上，二向色镜DM用于将第一透射光和第二激光进行合束，使两光束在空间上完全重合，第二物镜收集通过待测样品4的激光。
具体的，光线检测系统，包括滤光装置FW、光谱仪Spec、第一适配器D1、第二适配器D2、第一传导光纤F1和第二传导光纤F2，提升光束通过分束镜BS反射的第一反射光经由第一适配器D1和第一传导光纤F1到达光谱仪Spec，第二物镜O2收集通过待测样品4的激光后，通过滤光装置FW注入第二适配器D2，经由第二适配器D2 和第二传导光纤F2到达光谱仪Spec。本实施例中，滤光装置FW包括可切换的长波通滤光片组和短波通滤光片组，长波通滤光片组用于滤除飞秒脉冲激光，短波通滤光片组用于滤除飞秒脉冲激光和超连续谱；当采用长波通滤光片组滤波时，光谱仪Spec采集的信号为飞秒时间分辨瞬态吸收光谱，当采用短波通滤光片组时，光谱仪Spec采集的信号为宽带时间分辨CARS光谱。具体的，滤光装置FW还包括滤光片转轮，滤光片转轮上安装有长波通滤光片组和短波通滤光片组，用于切换长波通滤光片组和短波通滤光片组进入通光位置。
图2是本实用新型飞秒分辨泵浦光谱仪和宽带时间分辨CARS光谱仪切换示意图，参照图2，当光谱仪系统作为飞秒时间分辨泵浦光谱仪时，光开关工作，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。第一激光采用飞秒激光脉冲，飞秒激光脉冲经由全正色散光子晶体光纤转换成超连续谱激光，超连续谱激光经由棱镜对色散补偿处理后，通过分束镜分成第一透射光和第一反射光，第一透射光作为探测光，第一反射光作为参考光，第二激光采用可调谐飞秒激光脉冲，可调谐飞秒激光脉冲作为泵浦光，光线延迟装置带动两个相互垂直的反射器或者中空回射器向左移动，使泵浦光和探测光产生一定的时间Δt延迟(即第二激光先到达待测样品、超连续谱激光后到达待测样品)，通过待测样品后的探测光经过滤光片转轮上的长波通滤光片滤除泵浦光，产生的飞秒时间瞬态吸收光谱信号被光谱仪探测。
当光谱仪系统作为宽带时间分辨CARS光谱仪时，第一激光采用飞秒激光脉冲，飞秒激光脉冲经由全正色散光子晶体光纤转换成超连续谱激光，超连续谱激光经由棱镜色散补偿处理后同时作为泵浦光和斯托克斯光，第二激光采用可调谐飞秒激光脉冲，可调谐飞秒激光脉冲作为探测光，光线延迟装置带动两个相互垂直的反射器或者中空回射器向右移动，使泵浦光、斯托克斯光和探测光之间产生一定的时间Δt延迟(即超连续谱激光先到达待测样品、第二激光后到达待测样品)，通过待测样品后的宽带时间分辨CARS信号经由第二物镜收集后再经过滤光片转轮上的短波通滤光片滤除超连续谱激光和探测光，宽带时间分辨CARS信号被光谱仪探测。
一种飞秒时间分辨泵浦和宽带时间分辨CARS二合一光谱仪系统，利用光学平板及各种光学元器件，实现该光谱仪的模块化，成本低，结构简单，将飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪和宽带时间分辨CARS光谱仪相结合，更方便操作人员调节，易于推广和应用。
以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型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 (10)
1.一种飞秒时间分辨泵浦和宽带时间分辨CARS二合一光谱仪系统，其特征在于，包括光学平板、第一光源入口、第二光源入口、第一光路系统、第二光路系统和光谱检测系统，
所述光谱仪系统中的所有光学元器件都置于所述光学平板上；
第一光路系统，包括第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一半波片、第一透镜、光子晶体光纤、第二透镜、第三平面反射镜、棱镜对、提升镜、分束镜和第五平面反射镜；
所述第一光源入口作为第一激光入口，所述第一激光经过第一平面反射镜和第二平面反射镜反射后，通过第一半波片，由第一透镜会聚到所述光子晶体光纤的一端，所述光子晶体光纤将所述第一激光转换成超连续谱激光，所述超连续谱激光由所述光子晶体光纤的另一端出射，经过第二透镜准直输出至棱镜对，通过棱镜对输出到提升镜以提升光束，所述提升光束再次经过棱镜对并传输至第三平面反射镜，反射至分束镜分成第一反射光和第一透射光；
第二光路系统，包括光开关、第六平面反射镜、第七平面反射镜、第二半波片、光线延迟装置、第八平面反射镜和二向色镜；
所述第二光源入口作为第二激光入口，所述第二激光通过光开关后，经由第六平面反射镜和第七平面反射镜反射至第二半波片，通过第二半波片后进入光线延迟装置，由光线延迟装置出射的第二激光经过第八平面反射镜反射至二向色镜；
所述光谱仪系统还包括第一物镜和第二物镜，所述第一透射光经由所述第五平面反射镜反射至二向色镜，通过二向色镜和第一物镜后到达待测样品上，所述第二激光经过二向色镜反射，再通过第一物镜到达待测样品上，所述二向色镜用于将所述第一透射光和所述第二激光进行合束，所述第二物镜收集通过待测样品的激光；
光谱检测系统，包括滤光装置、光谱仪、第一适配器、第二适配器、第一传导光纤和第二传导光纤，所述提升光束通过所述分束镜反射的第一反射光经由第一适配器和第一传导光纤到达光谱仪，所述第二物镜收集通过待测样品的激光后再通过滤光装置注入第二适配器，经由第二适配器和第二传导光纤到达光谱仪；
所述滤光装置包括可切换的长波通滤光片组和短波通滤光片组，当采用长波通滤光片组滤波时，光谱仪采集的信号为飞秒时间分辨瞬态吸收光谱，当采用短波通滤光片组时，光谱仪采集的信号为宽带时间分辨CARS光谱。
2.根据权利要求1所述的一种飞秒时间分辨泵浦和宽带时间分辨CARS二合一光谱仪系统，其特征在于，所述光学平板为不锈钢材料或硬铝材料。
3.根据权利要求2所述的一种飞秒时间分辨泵浦和宽带时间分辨CARS二合一光谱仪系统，其特征在于，所述第一透镜为非球面镜。
4.根据权利要求3所述的一种飞秒时间分辨泵浦和宽带时间分辨CARS二合一光谱仪系统，其特征在于，所述第二透镜为宽带消色差双胶合透镜。
5.根据权利要求4所述的一种飞秒时间分辨泵浦和宽带时间分辨CARS二合一光谱仪系统，其特征在于，所述光子晶体光纤为全正色散光子晶体光纤。
6.根据权利要求5所述的一种飞秒时间分辨泵浦和宽带时间分辨CARS二合一光谱仪系统，其特征在于，所述棱镜对为色散补偿棱镜对，所述棱镜对包括平行放置的第一棱镜和第二棱镜。
7.根据权利要求6所述的一种飞秒时间分辨泵浦和宽带时间分辨CARS二合一光谱仪系统，其特征在于，所述滤光装置还包括滤光片转轮，所述滤光片转轮上安装有所述长波通滤光片组和短波通滤光片组，用于切换长波通滤光片组和短波通滤光片组进入通光位置。
8.根据权利要求7所述的一种飞秒时间分辨泵浦和宽带时间分辨CARS二合一光谱仪系统，其特征在于，所述光线延迟装置包括水平移动台和两个相互垂直的平面反射镜。
9.根据权利要求1至8任一项所述的一种飞秒时间分辨泵浦和宽带时间分辨CARS二合一光谱仪系统，其特征在于，当光谱仪系统作为飞秒时间分辨泵浦光谱仪时，所述第一激光经由所述光子晶体光纤转换成超连续谱激光作为探测光，当光谱仪系统作为宽带时间分辨CARS光谱仪时，所述第一激光经由所述光子晶体光纤转换成超连续谱激光作为泵浦光和斯托克斯光。
10.根据权利要求9所述的一种飞秒时间分辨泵浦和宽带时间分辨CARS二合一光谱仪系统，其特征在于，当光谱仪系统作为飞秒时间分辨泵浦光谱仪时，所述第二激光作为泵浦光，当光谱仪系统作为宽带时间分辨CARS光谱仪时，所述第二激光作为探测光。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20181127 Effective date of abandoning: 20231124 |
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| AV01 | Patent right actively abandoned |
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