[發明專利]單脈沖二維光譜裝置

在審

• 申請號: 202010107203.6
• 申請日: 2020-02-21
• 公開（公告）號: CN113295277A
• 公開（公告）日: 2021-08-24
• 發明（設計）人: 周梁;張文凱;岳佳寧
• 申請（專利權）人: 北京師范大學
• 主分類號: G01J3/02
• 分類號: G01J3/02;G01N21/01;G01N21/39
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明是單脈沖二維光譜裝置，可用于超快二維光譜實驗，屬于超快激光光譜技術領域。本發明使用了改進的泵浦探測光路構型，簡化了二維光譜裝置的光路，降低了技術難度；系統內包含自主設計的波前空間編碼組件，通過改變脈沖波前空間傾斜的方式，使得脈沖對的波前出現相對傾角，用于脈沖時序的空間編碼，使一次測量多個時間點成為可能；本發明解決了傳統二維光譜裝置中存在的光路復雜，技術難度大，采集時間長，以及無法檢測不可逆過程的問題，實現了二維光譜的單脈沖采集。

技術領域

本發明是一種基于波前空間編碼技術的單脈沖二維光譜裝置，屬于激光光譜學技術領域。

背景技術

超快二維光譜技術是一種在光譜學領域可以從飛秒超快時間尺度去探測化學反應，分子動力學及精細結構的檢測手段。目前所采用的二維光譜裝置主要由四束激光在空間上從不同方向聚焦到樣品表面，通過多個位移臺控制激光脈沖彼此間的相對延遲，通過長時間采集和位移臺的精密控制來獲取二維光譜圖像。該裝置主要存在幾個難以克服的問題：一是光路搭建復雜，通常需要在本領域具有豐富實驗經驗的人員才能完成，因此難以商業化，從而無法普及。二是該裝置通過順序移動多個位移臺的方式來逐點采集不同相干時間的光譜，耗時較長，實驗時間長達幾個小時，無法應用于不可逆過程的檢測，如燃燒，爆炸等。三是長時間采集和重復采集所帶來的激光相位波動會破壞光譜相位，劣化數據質量。

發明內容

為了解決上述裝置光路復雜，搭建困難，逐點采集，耗時較長，成本高，無法檢測不可逆過程的問題。我們發明了一種基于波前空間編碼技術的單脈沖二維光譜裝置。其目的是簡化實驗光路及實驗操作，降低裝置的搭建運行成本，可通過單個激光脈沖采集到一張完整的二維光譜圖，成數量級地減少測量時間，并且可用于不可逆實驗測量。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：一種基于波前空間編碼技術的單脈沖二維光譜裝置。包括波前空間編碼組件，改進的泵浦探測光路構型及光譜探測部分。入射的飛秒寬帶光經分束片分為泵浦光和探測光，泵浦光經波前空間編碼組件產生具有波前空間編碼時間間隔信息的泵浦脈沖序列后，與探測光一起，經改進的泵浦探測光路入射到樣品，用光譜探測部分探測經過樣品后的探測光，進行數據處理獲得二維光譜信息。

上述的單脈沖二維光譜裝置，所述的波前空間編碼組件。先由半透半反鏡將光束分開，用密度衰減片調節光束能量平衡，分別通過一個鎖相斬波器進行調制產生泵浦開和泵浦關兩種狀態。然后再通過一塊特制的菲涅爾楔角薄片將兩束光合束，其中一束光合束前通過一個位移臺來補償兩束光間的光程差。光束透射過薄片后將會產生波前空間傾斜。透射光束與反射光束合束，透射光束由于楔角產生了波前傾斜，與反射光一塊生成了對間隔時間進行波前空間編碼后的泵浦脈沖序列。不同空間位置具有不同的時間間隔。

上述的單脈沖二維光譜裝置，所述的改進的泵浦探測光路。主要構型為將兩束光，一束稱為泵浦光，一束探測光，探測光通過延遲臺補償延遲并可生成相對于泵浦光的時間延遲；兩束光補償時間延遲后經由一塊柱透鏡聚焦于樣品上，柱透鏡聚焦方向與泵浦光的空間編碼方向垂直。由此可從泵浦的空間編碼方向獲得不同時間間隔的二維光譜信息。

上述的單脈沖二維光譜裝置，所述的光譜探測部分。使用一對凹面鏡來采集并縮束樣品后的透射光束，在凹面鏡間放置空間濾波片過濾泵浦光。然后將探測光引入光譜儀，光譜儀在與泵浦空間編碼垂直的方向執行光譜分辨，而后成像在面陣探測器上，面陣探測器即可以沿泵浦空間編碼方向采集到不同泵浦時間間隔的光譜數據，其中泵浦時間間隔大小取決于傳感元大小。經由控制程序數據處理后，可以實現單脈沖采集一張完整的二維光譜。

可選地，可以在儀器前添加望遠鏡裝置改變光斑大小以符合裝置要求。

可選地，可以在泵浦波前空間編碼組件中的出射端放置另一塊可變密度衰減片調節泵浦總能量，或者放置由半波片和偏振片組成的偏振控制器來統一調節泵浦脈沖的總能量和偏振狀態。

優選地，可以在探測光路放置可變密度衰減片調節探測光能量，或者放置半波片和偏振片組成的偏振控制器來同時調節探測脈沖的能量和偏振狀態。