一種測(cè)量光子回波光譜的實(shí)驗(yàn)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測(cè)量多維光譜的實(shí)驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]光子回波光譜技術(shù)是從多維的核磁共振技術(shù)發(fā)展而來(lái)的，是一種多維的非線性光學(xué)技術(shù)。光子回波技術(shù)可以研究復(fù)雜分子的詳細(xì)結(jié)構(gòu)信息以及超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程。在雙脈沖光子回波中，第一束脈沖面積為31/2的超短激光脈沖入射到樣品分子中，形成樣品分子的電子基態(tài)與電子激發(fā)態(tài)之間的光學(xué)相干態(tài)。一般地，宏觀電極化P的強(qiáng)度可以用來(lái)描述這個(gè)光學(xué)相干態(tài)。之后，電極化強(qiáng)度開始迅速地衰減，衰減速率包括超快和超慢兩個(gè)部分。第二束脈沖面積為的超短激光脈沖入射到樣品分子后，兩束脈沖之間的時(shí)間間隔用光學(xué)延時(shí)t12表示，電極化強(qiáng)度的相位經(jīng)過(guò)時(shí)間t 12后又達(dá)成一致，于2k ^k1波矢方向輻射出光子，這就是雙脈沖光子回波。kpk；；分別是第一束和第二束超短激光脈沖的波矢。在三脈沖光子回波中，第一束脈沖面積為η/2的超短激光脈沖仍然入射到樣品分子中，樣品分子形成宏觀電極化強(qiáng)度并迅速衰減。第二束脈沖面積為η/2的激光脈沖與樣品分子發(fā)生相互作用，此時(shí)樣品分子的相干態(tài)信息儲(chǔ)存起來(lái)，第三束脈沖也為/2的激光脈沖入射到樣品分子，使得前面因?yàn)榉蔷鶆蛘箤挾鸬碾姌O化強(qiáng)度相位的不一致重新開始復(fù)相。第二束與第三束激光脈沖之間的時(shí)間間隔用光學(xué)延時(shí)t23表示。當(dāng)?shù)谌す饷}沖與樣品分子作用t12之后，宏觀電極化強(qiáng)度相位將重新達(dá)到一致，這時(shí)樣品分子于_k i+k2+k3波矢方向輻射出光子，這就是三脈沖光子回波。當(dāng)?shù)谌す饷}沖的波長(zhǎng)與前面兩束的波長(zhǎng)不相同時(shí)，輻射出的光子回波稱為雙色光子回波。雙色光子回波信號(hào)的頻譜將提供一些額外的樣品分子的結(jié)構(gòu)以及動(dòng)力學(xué)信息，類似的，還有單色光子回波。
[0003]二維光子回波光譜是二維光譜在可見光處的應(yīng)用，也可以稱二維電子光譜，為它可以研究分子體系的電子態(tài)的特征信息，例如，分子內(nèi)的非線性展寬機(jī)制，電子親合效應(yīng)，能量轉(zhuǎn)移路徑，電子相干效應(yīng)等，并通過(guò)圖譜直觀的反應(yīng)出來(lái)。二維光譜是時(shí)域中物質(zhì)體系在一系列超短激光脈沖作用下所產(chǎn)生的受激振動(dòng)光子回波響應(yīng)，再經(jīng)過(guò)二維傅里葉變換后在二維頻域中表達(dá)的技術(shù)。通過(guò)二維光學(xué)光譜的峰值譜線信息，可以對(duì)分子內(nèi)部或者分子間發(fā)生的相互作用過(guò)程、分子動(dòng)力學(xué)以及光合作用過(guò)程進(jìn)行分析。相比于一維光譜技術(shù)，二維光譜技術(shù)把光譜信號(hào)擴(kuò)展到了第二維上，可以提高了光譜分辨率，提供比一維光譜更多的信息，重疊峰甚至是被掩蓋的一些小峰也可以清晰的顯示出來(lái)。
[0004]二維電子光譜是研究電子運(yùn)動(dòng)的一種重要的方法，與一維電子光譜的相比具有更高的分辨率。二維的頻率信息有利于分析分子內(nèi)的超快動(dòng)力學(xué)信息，并可以同時(shí)獲得信號(hào)光極化強(qiáng)度的實(shí)部(吸收)和虛部(色散)也是一種研究光合作用中量子傳能的有效工具。而吸收光譜和瞬態(tài)光柵不能測(cè)量量子布居機(jī)制，二維光譜正好可以補(bǔ)償上述的不足。另外，二維光譜中已經(jīng)包含了瞬態(tài)吸收光譜。可以測(cè)量超分子復(fù)合物的動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)。目前二維電子光譜的實(shí)現(xiàn)方案主要有兩大類，分別為:被動(dòng)的相位穩(wěn)定技術(shù)；主動(dòng)的相位穩(wěn)定技術(shù)。
[0005]現(xiàn)有的主動(dòng)的相位穩(wěn)定技術(shù)裝置很有效但是需要額外的干涉儀，參考光束和電子設(shè)備，而且系統(tǒng)龐大，成本較高，應(yīng)用范圍有限。被動(dòng)的相位穩(wěn)定技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法主要有四種，分別為:1.基于衍射原理的方法。衍射光學(xué)元件，光柵等；2.脈沖整形器，包括空間光調(diào)制器和聲光調(diào)制器等；3.基于反射原理的方法。反射鏡，全反鏡等；4.基于折射原理的方法。折射光學(xué)元件，雙折射干涉儀等?，F(xiàn)有的被動(dòng)的相位穩(wěn)定技術(shù)裝置幾乎不能對(duì)探測(cè)信號(hào)光強(qiáng)度較低的微弱信號(hào)進(jìn)行探測(cè)；即使能夠探測(cè)，準(zhǔn)確度也不高。而且基于脈沖整形的被動(dòng)相位穩(wěn)定方法偏振較難控制，基于雙折射干涉儀的被動(dòng)相位穩(wěn)定方法和基于全反鏡的方法會(huì)引起時(shí)間零點(diǎn)漂移，基于聲光相位調(diào)制器的方法測(cè)量帶寬有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決現(xiàn)有的二維電子光譜中主動(dòng)相位穩(wěn)定裝置系統(tǒng)龐大、成本較高、應(yīng)用范圍有限的問題和現(xiàn)有的被動(dòng)的相位穩(wěn)定裝置幾乎對(duì)信號(hào)光強(qiáng)度較低的微弱信號(hào)進(jìn)行探測(cè)的準(zhǔn)確度不高、偏振較難控制的問題。進(jìn)而提出了一種測(cè)量光子回波光譜的實(shí)驗(yàn)裝置。
[0007]—種測(cè)量光子回波光譜的實(shí)驗(yàn)裝置，包括:
[0008]飛秒激光器、光學(xué)參量放大器，即0ΡΑ、衰減片、第一反射鏡、起偏器、第一分束片、第一時(shí)間延遲裝置、第二時(shí)間延遲裝置、第三時(shí)間延遲裝置、第二反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡、第一透鏡、衍射光柵、第二透鏡、第一楔形棱鏡對(duì)、第二楔形棱鏡對(duì)、第三楔形棱鏡對(duì)、拋物鏡、樣品池、空間濾波器、凹面鏡、第九反射鏡、檢偏器、第一合束鏡、第十反射鏡、第i^一反射鏡、第二合束鏡、第三透鏡、光譜儀、c⑶陣列探測(cè)器、計(jì)算機(jī)、第二分束片、第三分束片、第五反射鏡、第六反射鏡、第七反射鏡、第八反射鏡、第四時(shí)間延遲裝置；
[0009]檢偏器和第八反射鏡同軸設(shè)置，使穿過(guò)檢偏器的光束和穿過(guò)第八反射鏡的光束在同一水平面上共同照射到第一合束鏡上；
[0010]衰減片、起偏器和檢偏器均豎直設(shè)置且與光束成90度角；
[0011]第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡、第五反射鏡、第六反射鏡、第七反射鏡、第八反射鏡、第九反射鏡、第十反射鏡、第十一反射鏡均豎直設(shè)置且與光束成45度角；
[0012]第一分束片、第二分束片、第三分束片均豎直設(shè)置且與光束成45度角；
[0013]第一合束鏡、第二合束鏡均豎直設(shè)置且與光束成45度角；
[0014]計(jì)算機(jī)與0ΡΑ、第一時(shí)間延遲裝置、第二時(shí)間延遲裝置、第三時(shí)間延遲裝置、第四時(shí)間延遲裝置和CXD陣列探測(cè)器電連接；
[0015]計(jì)算機(jī)控制第一時(shí)間延遲裝置、第二時(shí)間延遲裝置、第三時(shí)間延遲裝置和第四時(shí)間延遲裝置移動(dòng)的距離，并將不同時(shí)刻的位置信息采集下來(lái)；
[0016]計(jì)算機(jī)通過(guò)OPA控制光束的頻率與功率；
[0017]飛秒激光器出射的激光光束A，經(jīng)過(guò)0ΡΑ，進(jìn)行波長(zhǎng)選擇；光束經(jīng)過(guò)衰減片，然后經(jīng)過(guò)第一反射鏡調(diào)整光束傳播方向；光束A經(jīng)過(guò)起偏器調(diào)節(jié)光束的偏振方向；然后到達(dá)第一分束片分成光束B和光束C ;
[0018]光束B進(jìn)入第一時(shí)間延遲裝置后，再經(jīng)過(guò)第二反射鏡后照射到第一透鏡上；
[0019]光束C經(jīng)過(guò)第二分束片分成光束D和光束E ;
[0020]光束D進(jìn)入第二時(shí)間延遲裝置再經(jīng)過(guò)第三反射鏡后照射到第一透鏡上；
[0021 ] 光束E經(jīng)過(guò)第三分束片分成光束F和光束G ;
[0022]光束F進(jìn)入第三時(shí)間延遲裝置再經(jīng)過(guò)第四反射鏡后照射到第一透鏡上；
[0023]光束G經(jīng)過(guò)第五反射鏡、第六反射鏡和第七反射鏡反射后進(jìn)入第四時(shí)間延遲裝置，射出后經(jīng)過(guò)第八反射鏡反射后到達(dá)第一合束鏡；
[0024]光束B、光束D和光束F(光束B、光束D作為栗浦光，光束F作為探測(cè)光)經(jīng)過(guò)第一透鏡后再經(jīng)過(guò)衍射光柵和第二透鏡后(第一透鏡和第二透鏡為一個(gè)4f系統(tǒng)，可以對(duì)光束B、光束D和光束F進(jìn)行整形，調(diào)節(jié)光束振幅和相位；)，分別進(jìn)入第一楔形棱鏡對(duì)、第二楔形棱鏡對(duì)、第三楔形棱鏡對(duì)后照射在拋物鏡打在樣品池上(楔形棱鏡斜面角度與光入射角度呈布魯斯特角放置，可以補(bǔ)償光束在空間傳播引起的色散)，經(jīng)過(guò)樣品池新產(chǎn)生一束光子回波信號(hào)H(由于三束激光束的空間傳播方向不同，在滿足一定相位匹配的條件下，會(huì)產(chǎn)生一束光子回波信號(hào)H)，樣品池的光束B、光束D和光束F照射到空間濾波器；
[0025]調(diào)節(jié)空間濾波器的位置，使光子回波信號(hào)H經(jīng)過(guò)凹面鏡和第九反射鏡反射后，經(jīng)過(guò)檢偏器后到達(dá)到第一合束鏡上；
[0026]光束G和光子回波信號(hào)H在第一合束鏡、第二合束鏡、第十反射鏡和第^ 反射鏡組成的馬赫-曾德干涉上儀發(fā)生干涉(光束G作為參考光束和光子回波信號(hào)H產(chǎn)生干涉)，干涉信號(hào)經(jīng)過(guò)第三透鏡、光譜儀進(jìn)入CXD陣列探測(cè)器。
[0027]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0028](I)利用本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行光子回波光譜探測(cè)方法簡(jiǎn)單，相對(duì)主動(dòng)相位穩(wěn)定來(lái)說(shuō)成本低廉。
[0029](2)本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置是通過(guò)光譜相干方法進(jìn)行探測(cè)的，相比直接探測(cè)，能夠更好的探測(cè)信號(hào)光強(qiáng)度較低的微弱信號(hào)。
[0030](3)利用本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行光子回波光譜探測(cè)能夠補(bǔ)償光束在傳播過(guò)程中引起的色散效應(yīng)；同時(shí)由于本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置中加入了偏振片(起偏器和檢偏器)，不僅能解決偏振較難控制的問題，還能更好的消除非共振背景噪聲的影響，提高光子回波光譜探測(cè)的準(zhǔn)確度。
[0031](4)利用本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置采用非共線相位匹配結(jié)構(gòu)，能夠較好消除雜散光和入射光對(duì)信號(hào)光的影響。
【附圖說(shuō)明】
[0032]圖1為一種測(cè)量光子回波光譜的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖的俯視圖；
[0033]圖2為經(jīng)過(guò)相位穩(wěn)定裝置前的光束傳輸振幅示意圖(入射光束為高斯光束);
[0034]圖3為經(jīng)過(guò)相位穩(wěn)定裝置中的光束傳輸相位面示意圖(入射光束為高斯光束);
[0035]圖4為經(jīng)過(guò)相位穩(wěn)定裝置后的光束傳輸相位面示意圖(入射光束為高斯光束);
[0036]圖5為尼爾藍(lán)分子三脈沖光子回波光譜變化規(guī)律(脈沖波長(zhǎng)為623nm)；
[0037]圖6為尼爾藍(lán)分子瞬態(tài)光柵光子回波信號(hào)的非線性擬合(脈沖波長(zhǎng)為623nm)。
【具體實(shí)施方式】
[0038]【具體實(shí)施方式】一:結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，
[0039]—種測(cè)量光子回波光譜的實(shí)驗(yàn)裝置，包括:
[0040]飛秒激光器1、光學(xué)參量放大器2，即0PA2、衰減片3、第一反射鏡4、起偏器5、第一分束片6、第一時(shí)間延遲裝置7、第二時(shí)間延遲裝置8、第三時(shí)間延遲裝置9、第二反射鏡10、第三反射鏡11、第四反射鏡12、第一透鏡13、衍射光柵14、第二透鏡15、第一楔形棱鏡對(duì)16、第二楔形棱鏡對(duì)17、第三楔形棱鏡對(duì)18、拋物鏡19、樣品池20、空間濾波器21、凹面鏡22、第九反射鏡23、檢偏器24、第一合束鏡25、第十反射鏡26、第^^一反射鏡27、第二合束鏡28、第三透鏡29、光譜儀30、(XD陣列探測(cè)器31、計(jì)算機(jī)32、第二分束片35、第三分束片36、第五反射鏡37、第六反射鏡38、第七反射鏡39、第八反射鏡40、第四時(shí)間延遲裝置41 ;
[0041]檢偏器24和第八反射鏡40同軸設(shè)置，使穿過(guò)檢偏器24的光束和穿過(guò)第八反射鏡40的光束在同一水平面上共同照射到第一合束鏡25上；
[0042]衰減片3、起偏器5和檢偏器24均豎直設(shè)置且與光束成90度角；
[0043]第一反射鏡4、第二反射鏡10、第三反射鏡11、第四反射鏡12、第五反射鏡37、第六反射鏡38、第七反射鏡39、第八反射鏡40、第九反射鏡23、第十反射鏡26、第^^一反射鏡27均豎直設(shè)置且與光束成45度角；
[0044]第一分束片6、第二分束片35、第三分束片36均豎直設(shè)置且與光束成45度角；
[0045]第一合束鏡25、第二合束鏡28均豎直設(shè)置且與光束成45度角；
[0046]計(jì)算機(jī)32與0PA2、第