CN107449738A - 一种双光束泵浦探测实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双光束泵浦探测实验系统，通过第一分束镜，将飞秒激光光束分成一级泵浦光和探测光，一级泵浦光和探测光之间存在时间延迟，通过第二分束镜将一级泵浦光分成两束二级泵浦光，其中一束二级泵浦光经多次反射后与另一束二级泵浦光垂直汇聚到第三分束镜，经第三分束镜先分束再合束后，合并成包含四个不同延时的飞秒激脉冲的两束四级泵浦光，延迟后的探测光与四级泵浦光经聚焦透镜会聚后在样品表面形成一个光斑，通过光信号采集系统获取样品对探测光的吸收信号的二维成像。本发明实现了实现样品表面瞬态反射率突变次数增加，并能控制时间延迟，因此能使用双光束泵浦探测试验实现物质内部超快动力学过程的可视化研究。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，涉及飞秒激光加工及研究薄膜超快动力学领域，尤其涉及一种双光束泵浦探测实验系统。
背景技术
近年来，随着超快激光技术的发展，泵浦探测技术受到人们的重视。泵浦探测技术通常是将一束脉冲激光分为一束较强的泵浦光和一束较弱的探测光。其中，泵浦光作用于待测样品，引起样品的变化；样品的变化状态通过探测光检测。根据检测结果，可以获得样品的信息。这一技术在成像检测领域、分子和电子动力学分析检测等领域都得到广泛应用。
通常泵浦探测方法中，采用单束泵浦光激发样品，单束或多束探测光反应泵浦探测信号，在现有技术中，还没有实现样品表面瞬态反射率突变持续时间增长技术，因此无法实现物质内部超快动力学过程的可视化研究；
为能够更精确的研究材料内微观粒子的复杂运动规律，捕捉到瞬态变化信息，本发明提出，对原实验系统增加分光镜，把原来的单束泵浦光分成两束泵浦光，两束泵浦光之间有一定的时间延迟，探测光光束不变，增加多次瞬态反射率突变的次数，或增加每次瞬态反射率突变的持续时间，因此能使用双光束泵浦探测试验实现物质内部超快动力学过程的可视化研究。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种双光束泵浦探测实验系统，通过增加分束镜，将原来的飞秒激光光束分成泵浦光和探测光，所述泵浦光和探测光之间有一定的时间延迟，通过增设分束镜实现两束泵浦光作用在样品上，从而增加了样品表面多次瞬态反射率突变的次数，或增加每次瞬态反射率突变的持续时间，进而能够对样品材料的特性有更深入的了解，使泵浦-探测技术的应用范围更广。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种双光束泵浦探测实验系统，其特征在于，包括飞秒激光光源系统、第一分束镜、四脉冲双泵浦光传输系统、探测光传输系统、第一聚焦透镜、计算机和光信号采集系统；
所述飞秒激光光源系统发出的脉冲激光经过第一分束镜分成单束一级泵浦光和探测光；
四脉冲双泵浦光传输系统包括斩波器、第二分束镜、第三反射镜、第四反射镜、第三分束镜和第五反射镜，所述斩波器与计算机电连接，单束一级泵浦光经过斩波器调制成1:1的断续方波序列，所述断续方波序列经过第二分束镜分成两束相互垂直的二级泵浦光；所述第三反射镜与第二分束镜平行，第四反射镜均与第三反射镜垂直，其中一束二级泵浦光依次经过第三反射镜和第四反射镜两次垂直反射后，与另外一束二级泵浦光垂直汇聚到第三分束镜，经过第三分束镜分束后，两束二级泵浦光分成四束不同延时的三级泵浦光，所述四束三级泵浦光的传输方向两两相同，合并成了包含四个不同延时的飞秒激脉冲的两束四级泵浦光，其中一束四级泵浦光经过第五反射镜垂直反射后与另一束四级泵浦光相互平行；
所述探测光传输系统包括探测光延时器和相互平行的第二反射镜和第六反射镜，所述探测光延时器与计算机电连接，用于改变探测光的光程以改变一级泵浦光与探测光之间的时间延迟，所述第二反射镜和第六反射镜相互平行，延迟后的探测光经过第二反射镜和第六反射镜两次垂直反射后，与两束四级泵浦光平行且相互靠近，并与第一聚焦透镜垂直；
第一聚焦透镜将延迟后的探测光与两束四级泵浦光聚焦成样品表面的光斑；
所述光信号采集系统用于获取样品受两束四级泵浦光作用后，探测光探测在不同延迟时间时，样品的瞬态反射率的变化，得到样品的瞬态反射率随时间延迟变化的曲线。
优选地，所述光信号采集系统包括电荷耦合器CCD、第七反射镜、格兰棱镜、第二聚焦镜、探测器和锁相放大器；
所述第七反射镜、格兰棱镜和第二聚焦镜位于同一光路上，所述电荷耦合器CCD用于观察样品上形成的光斑是否重合；从样品表面反射的探测光经过第七反射镜的反射，穿过格兰棱镜，所述格兰棱镜过滤掉部分散射的泵浦光，所述第二聚焦镜聚焦由格兰棱镜过滤后的探测光，探测器接收由第二聚焦镜聚焦的探测光，并将光信号转化为电信号，所述电信号经过锁相放大器后输入到计算机中，计算机给出样品的瞬态反射率随延迟时间变化的曲线。
优选地，所述斩波器以2000Hz的频率对一级泵浦光调制，将一级泵浦光调制成占空比为1:1的断续方波序列脉冲。
优选地，所述探测光延时器的时间分辨率为66.7fs。
优选地，所述飞秒激光光源系统包括Verdi泵浦源和钛宝石飞秒激光器，所述Verdi泵浦源输出的光源经过钛宝石飞秒激光器后得到脉冲激光。
优选地，所述飞秒激光光源系统包括Verdi泵浦源和钛宝石飞秒激光器，所述Verdi泵浦源输出功率最大功率为5W，波长为532nm的绿光，经过钛宝石飞秒激光器后得到中心波长为800nm，重复频率为82MHz，单脉冲宽度为30fs的脉冲激光。
优选地，所述第一分束镜、第二分束镜和第三分束镜均为非偏振的分束镜。
优选地，所述第一分束镜的分光比为7:3。
优选地，所述第二分束镜和第三分束镜的分光比均为1:1。
优选地，还包括第一反射镜(3)，所述飞秒激光光源系统发出的脉冲激光经过第一反射镜(3)反射到第一分束镜(4)。
本发明的有益效果：
本发明在原有分束光的基础上增加一个分束镜，将飞秒激光脉冲产生的单束泵浦光分成两束泵浦光，其中一束子泵浦光经一定的时间延迟后，与另外的子泵浦光束汇聚于分束镜，形成包含四个不同延时的飞秒激脉冲两束子泵浦光，且这两束子泵浦光均用于激发样品，提高了样品表面激发概率，容易得到泵浦探测信号，实现增加金属薄膜内多次瞬态反射率突变次数或增加金属薄膜内每次瞬态反射率突变的持续时间，便于实现物质内部超快动力学过程的研究。
附图说明
图1为本发明所述双光束泵浦探测实验系统的示意图。
其中：
1.Verdi泵浦源；2.钛宝石飞秒激光器；3.第一反射镜；4.第一分束镜；5.第二反射镜；6.斩波器；7.第二分束镜；8.第三反射镜；9.第四反射镜；10.第三分束镜；11.第五反射镜；12.第六反射镜；13.第一聚焦透镜；14.第七反射镜；15.格兰棱镜；16.第二聚焦镜；17.探测器；18.锁相放大器；19.计算机；20.样品；21.电荷耦合器CCD；22.探测光延时器；23.一级泵浦光；24.探测光。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明所述的一种双光束泵浦探测实验系统，包括飞秒激光光源系统、第一反射镜3、第一分束镜4、四脉冲双泵浦光传输系统、探测光传输系统、第一聚焦透镜13、计算机19和光信号采集系统。
所述飞秒激光光源系统包括Verdi泵浦源1和钛宝石飞秒激光器2，所述飞秒激光光源系统包括Verdi泵浦源1和钛宝石飞秒激光器2，所述Verdi泵浦源1输出功率最大功率为5W，波长为532nm的绿光，经过钛宝石飞秒激光器2后得到中心波长为800nm，重复频率为82MHz，单脉冲宽度为30fs的脉冲激光。脉冲激光经过非偏振的第一分束镜4，将激光分成能量强度大约为7:3的两束脉冲激光，能量较大的一束作为一级泵浦光，用于激发样品，能量较小的一束作为探测光，用于探测被激发的样品表面瞬态反射率变化的信号。
四脉冲双泵浦光传输系统包括斩波器6、第二分束镜7、第三反射镜8、第四反射镜9、第三分束镜10和第五反射镜11，所述斩波器6与计算机19电连接，为了消除泵浦光对瞬态反射率信号的影响，提高探测器17的灵敏度，将一级泵浦光通过斩波器6以2000Hz的频率进行调制，将一级泵浦光脉冲调制成占空比为1:1的断续方波序列脉冲，第二分束镜7用于将能量较高的序列脉冲分成两束能量较低且相互垂直的二级泵浦光；第三反射镜8与第二分束镜7平行，用于垂直反射其中一束二级泵浦光，第四反射镜9用于垂直反射由第三反射镜8反射的二级泵浦光，使得两束二级泵浦光垂直汇聚到第三分束镜10，所述第三分束镜10将两束二级泵浦光分成四束三级泵浦光，所述四束三级泵浦光的传输方向两两相同，经第三分束镜10先分束再合束后又合并成包含四个不同延时的飞秒激脉冲的两束四级泵浦光，所述第五反射镜11用于将两束四级泵浦光平行。
所述探测光传输系统包括探测光延时器22和相互平行的第二反射镜5和第六反射镜12，所述探测光延时器22与计算机19电连接，探测光延时器22的时间分辨率为66.7fs，用于改变探测光的光程以改变泵浦光与探测光之间的时间延迟，所述第二反射镜5和第六反射镜12，用于垂直反射延迟后的探测光，使得延迟后的探测光与两束四级泵浦光平行且相互靠近，并与第一聚焦透镜13垂直，以保证经第一聚焦透镜13会聚后三个光斑重叠在一起，且在样品20表面形成一个较小的光斑，此时要确保探测光光斑落在四级泵浦光中央，使得探测光能够准确探测到四级泵浦光激发区域内的变化。
所述光信号采集系统包括电荷耦合器CCD、第七反射镜14、格兰棱镜15、第二聚焦镜16、探测器17和锁相放大器18；所述电荷耦合器CCD用于观察样品20上形成的光斑是否重合；从样品20表面反射的探测光经过第七反射镜14的反射，穿过格兰棱镜15，所述格兰棱镜15过滤掉部分散射的泵浦光，所述第二聚焦镜16聚焦由格兰棱镜15过滤后的探测光，考虑到探测器17的击穿功率及激光能量的波动，要求到达探测器17前的探测光的平均功率必须＜20mW，探测器17吸收由第二聚焦镜16聚焦的探测光，并将光信号转化为电信号，所述电信号经过锁相放大器18后输入到计算机19中，计算机19在屏幕上自动绘出样品20的瞬态反射率随延迟时间变化的曲线。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种双光束泵浦探测实验系统，其特征在于，包括飞秒激光光源系统、第一分束镜(4)、四脉冲双泵浦光传输系统、探测光传输系统、第一聚焦透镜(13)、计算机(19)和光信号采集系统；
所述飞秒激光光源系统发出的脉冲激光经过第一分束镜(4)分成单束一级泵浦光(23)和探测光(24)；
四脉冲双泵浦光传输系统包括斩波器(6)、第二分束镜(7)、第三反射镜(8)、第四反射镜(9)、第三分束镜(10)和第五反射镜(11)，所述斩波器(6)与计算机(19)电连接，单束一级泵浦光(23)经过斩波器(6)调制成1:1的断续方波序列，所述断续方波序列经过第二分束镜(7)分成两束相互垂直的二级泵浦光；所述第三反射镜(8)与第二分束镜(7)平行，第四反射镜(9)与第三反射镜(8)垂直，其中一束二级泵浦光依次经过第三反射镜(8)和第四反射镜(9)两次垂直反射后，与另外一束二级泵浦光垂直汇聚到第三分束镜(10)，经过第三分束镜(10)分束后，两束二级泵浦光分成四束不同延时的三级泵浦光，所述四束三级泵浦光的传输方向两两相同，合并成了包含四个不同延时的飞秒激脉冲的两束四级泵浦光，其中一束四级泵浦光经过第五反射镜(11)垂直反射后与另一束四级泵浦光相互平行；
所述探测光传输系统包括探测光延时器(22)和相互平行的第二反射镜(5)和第六反射镜(12)，所述探测光延时器(22)与计算机(19)电连接，用于改变探测光的光程以改变一级泵浦光与探测光之间的时间延迟，所述第二反射镜(5)和第六反射镜(12)相互平行，延迟后的探测光经过第二反射镜(5)和第六反射镜(12)两次垂直反射后，与两束四级泵浦光平行且相互靠近，并与第一聚焦透镜(13)垂直；
所述第一聚焦透镜(13)将延迟后的探测光与两束四级泵浦光聚焦成样品(20)表面的光斑；
所述光信号采集系统用于获取样品(20)受两束四级泵浦光作用后，探测光探测在不同延迟时间时，样品(20)的瞬态反射率的变化，得到样品(20)的瞬态反射率随时间延迟变化的曲线。
2.如权利要求1所述的一种双光束泵浦探测实验系统，其特征在于，所述光信号采集系统包括电荷耦合器CCD(21)、第七反射镜(14)、格兰棱镜(15)、第二聚焦镜(16)、探测器(17)和锁相放大器(18)；
所述第七反射镜(14)、格兰棱镜(15)和第二聚焦镜(16)位于同一光路上，所述电荷耦合器CCD(21)用于观察样品(20)上形成的光斑是否重合，从样品(20)表面反射的探测光经过第七反射镜(14)的反射，穿过格兰棱镜(15)，所述格兰棱镜(15)过滤掉部分散射的泵浦光，所述第二聚焦镜(16)聚焦由格兰棱镜(15)过滤后的探测光，探测器(17)接收由第二聚焦镜(16)聚焦的探测光，并将光信号转化为电信号，所述电信号经过锁相放大器(18)后输入到计算机(19)中，计算机(19)给出样品(20)的瞬态反射率随延迟时间变化的曲线。
3.如权利要求1所述的一种双光束泵浦探测实验系统，其特征在于，所述斩波器(6)以2000Hz的频率对一级泵浦光调制，将一级泵浦光调制成占空比为1:1的断续方波序列脉冲。
4.如权利要求1所述的一种双光束泵浦探测实验系统，其特征在于，所述探测光延时器(22)的时间分辨率为66.7fs。
5.如权利要求1所述的一种双光束泵浦探测实验系统，其特征在于，所述飞秒激光光源系统包括Verdi泵浦源(1)和钛宝石飞秒激光器(2)，所述Verdi泵浦源(1)输出的光源经过钛宝石飞秒激光器(2)后得到脉冲激光。
6.如权利要求1所述的一种双光束泵浦探测实验系统，其特征在于，所述Verdi泵浦源(1)输出功率最大功率为5W，波长为532nm的绿光，经过钛宝石飞秒激光器(2)后得到中心波长为800nm，重复频率为82MHz，单脉冲宽度为30fs的脉冲激光。
7.如权利要求1所述的一种双光束泵浦探测实验系统，其特征在于，所述第一分束镜(4)、第二分束镜(7)和第三分束镜(11)均为非偏振的分束镜。
8.如权利要求7所述的一种双光束泵浦探测实验系统，其特征在于，所述第一分束镜的分光比为7:3。
9.如权利要求7所述的一种双光束泵浦探测实验系统，其特征在于，所述第二分束镜(7)和第三分束镜(11)的分光比均为1:1。
10.如权利要求1所述的一种双光束泵浦探测实验系统，其特征在于，还包括第一反射镜(3)，所述飞秒激光光源系统发出的脉冲激光经过第一反射镜(3)反射到第一分束镜(4)。
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