一种对种子光信号进行超快时间分辨测量的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种对种子光信号进行超快时间分辨测量的方法及装置，主要包括以下步骤：（１）由激光脉冲光源产生的超短激光脉冲经过能量调节、准直缩束及空间滤波系统优化选择后，由光学分束系统分成两路，其中一路通过时间延迟控制系统，然后一路通过参量泵浦脉冲光路；另一路通过种子激发脉冲光路；（２）收集后的种子光信号与泵浦脉冲，以一定匹配角度入射到参量放大系统上，使参量放大系统以线性放大状态对样品种子光信号进行超快放大；（３）利用参量放大信号探测系统完成信号探测、记录、参比修正，以及对放大种子光信号的超快光谱分析与时间分辨测量处理，给出相应的检测结果。本发明专利技术可以使微弱的种子光信号被放大，并且实现超快时间分辨的探测，是超快光谱学领域的一种新探测方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种对飞秒激光脉冲进行快速测量与时间分辨的方法及装置，特 别是关于一种对种子光信号进行超快时间分辨测量的方法及装置。技术背景飞秒(femtosecond,縮写为fs， lfs二l(Ts)激光脉冲由于具有精度极高的 时间分辨力，因而已成为当今人们研究超快瞬态现象的极重要甚至是唯一的手段。 在需求这一强大动力的牵动下，人们不仅对这类脉冲的产生技术感兴趣，而且对 其自身性能的基础研究工作也越来越关注。也正是在一些带有前瞻性的基础研究 支撑下， 一些波长可调、带宽脉宽理想、能量极高的超快超强激光脉冲产生设备 陆续出现，并应用于越来越多的相关
，促进了这些领域的技术进步。九十年代后，基于非线性晶体光参量效应的光参量器件出现，脉宽在几十飞 秒的克尔镜锁模钛蓝宝石激光器也出现了商业化产品，从而使时间分辨激光光谱 技术进入飞秒阶段，.并被广泛应用于半导体材料动力学、有机及生物分子的反应 动力学、相干反应控制等自然科学领域的研究中。由于电子器件受本身响应速度 的限制，传统的时间分辨光谱技术，例如快速光电探测器、宽带示波器、单光子 计数系统、条纹相机系统等，它们的时间分辨能力较低，只能达到几个皮秒(ps， lps=10—12s)的量级，不能直接用于测量飞秒激光的脉冲宽度。因此，需要通过全 光学的方式找出具有飞秒超快时间分辨能力的探测系统。为了解决传统技术时间分辨能力低的问题，近年来人们开发了 "时间分辨荧 光上转换技术(Fluorescence Up-Conversion)"和"光克尔门技术(Optical Kerr Gate)"等荧光超快光谱学技术。前者具有与所用飞秒脉冲宽度相同的时间分辨 能力，但对于光学系统的精密调节要求高，而且对荧光光谱的探测是单波长探测， 探测区域在紫外光波段；后者由于以有机溶剂作为工作介质，时间分辨能力仅为 亚皮秒。此外，由于这两种方法在探测中只利用到一部分荧光，而且对弱荧光都 不敏感，因而在低荧光量子产率的探测中受到很大限制。随着科技进步， 一些具有优良性能的非线性光参量效应的光参量晶体器件(例 如偏硼酸钡BBO等)出现了，以它们为材料的光学振荡器(Optical Parametric Oscillator,縮写为0P0)和光学参量放大器(Optical Parametric Amplifier, 縮写为0PA)相继专利技术。由于它们的可连续调谐范围宽(从红外到紫外)、转换效率比较高，以及全固态便于操作等特点，颇得业内人士的青睐，并分成了两个互 有联系、又有许多重要差别的研究分支，我们不妨称之为"基于0PA的光源产生 系统"和"基于0PA的超快光谱学方法"。这两个研究分支虽然都是基于参量放 大系统的原理，但它们却有不同的侧重前者主要侧重于对"超快超强飞秒激光 脉冲产生方法"的研究，而后者则主要侧重于对"放大的种子光信号"进行"高 精度超快时间分辨方法"的研究。由于受许多领域对超快超强飞秒激光脉冲需求 的牵动，在此之前人们更多关注的是对前者的研究，因而这一研究分支发展较快; 而后一研究分支的发展就相对缓慢，不仅关注的人较少，而且能见的相关技术资 料也很少。尽管上述两个研究分支基本原理类似，但后者需要做的工作是首先通过0PA 系统对激光脉冲激发染料样品所产生的"原始种子光信号"进行线性参量放大， 然后通过设置在超快光谱学研究系统中的探测设备，对已经被参量放大器线性放 大后的"放大种子光信号"进行高精度光谱分析和超快时间分辨测量。这里所述 的"原始种子光信号"，是一种"与泵浦信号具有弱时间相关性、能量较低、且 受色散引起的啁啾及系统噪声干扰的信号"，下面简称为种子光信号。"基于0PA 的光源产生系统"对信号处理的要求相对简单，而"超快光谱学方法"需要经常 对这类信号进行处理。二者之间有不少差别，概括起来主要有①研究对象不同 前者的研究目标是实现可调谐光源，后者研究的是被放大的种子光；②研究的目 的不同前者是利用所产生的可调谐飞秒激光信号去研究其它物质，后者是通过 观测放大光本身，来研究种子光信号；③所采用的种子光不同前者是利用透明 固体介质产生连续可变的光谱作为种子，后者则以特定研究对象受激产生的荧光 信号作为种子； 系统对OPA的工作状态与信号参数要求不同前者要求系统工 作在饱和区(非线性区)，为此，要求系统把泵浦光的强度控制在产生圆锥辐射 的域值以下，而且要求种子光的强度足够强，以避免种子光的起伏；后者要求系 统始终工作在线性放大区，因而一方面要求系统把泵浦光的强度控制在产生圆锥 辐射的域值之上，另一方面要求输入给0PA的种子光信号较弱，同时也要求整个 参放过程即使在有系统噪声和"啁啾"干扰的情况下，也能保持其对种子光信号 线性放大的能力； 对时间延迟的要求不同前者要求泵浦光与种子光同步到达 参量放大晶体，后者要求泵浦光与种子光以可变的相对延时到达晶体(要求二者 有某种"弱时间相关性")，以便探测种子光中与时间相关的信号。综上所述不难看出，二者之间最重要的差别是，后者要求"OPA系统及其参量 放大过程"对"种子光信号"的放大始终保持在"高保真的线性放大"能力。由于究竟用什么方法才可实现这一要求，并无资料与先例可以借鉴，实现上述要求 并非易事，因而必须通过大量科学实验及探索才能找到合适的答案。实现这一要 求，不仅关系到改变"超快光谱学研究领域"相对落后的局面，更关系到这一研 究领域能否取得突破性进展。勿庸置疑，实现这一要求所需的一系列技术，自然 就是这一研究领域需要予以突破的关键技术。
技术实现思路
针对上述存在的问题，本专利技术的目的是通过对光学参量放大系统的开发与技 术创新，在突破关键技术的基础上，提供一种对种子光信号进行超快时间分辨测 量的方法及装置，以满足业界对超快光谱学技术日益增长的需求。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案 一种对种子光信号进行超快时 间分辨测量的方法，主要包括以下步骤(1)由激光脉冲光源产生的超短激光脉 冲经过能量调节、准直縮束及空间滤波系统优化选择后，由光学分束系统分成两 路，其中一路通过时间延迟控制系统，然后一路通过参量泵浦脉冲频率变换与偏 振控制系统和泵浦脉冲耦合系统；另一路通过种子激发脉冲频率变换与偏振控制 系统送至种子样品，激发样品产生种子光信号，并由种子光信号收集耦合系统收 集；(2)收集后的种子光信号与泵浦脉冲，以一定匹配角度入射到参量放大系统 上，使参量放大系统以线性放大状态对样品种子光信号进行超快放大；(3)利用 参量放大信号探测系统，依次完成信号探测、记录、参比修正，以及对放大种子 光信号的超快光谱分析与时间分辨测量处理，给出相应的检测结果；(4)在参量 放大信号处理系统中，通过对时间延迟控制系统的调整，改变种子光信号相对于 泵浦脉冲的相对延迟，使二者处在可调节的时间相关状态，重复步骤(3)，得出 种子光随时间演化的超快时间分辨测量结果。所述步骤(2)中，使参量放大系统保持线性放大状态的条件如下①入射到 参量放大系统的泵浦光强超过能使其产生圆锥辐射的阈值，然后维持这一强度不 变；②调整种子光收集耦合系统的工作状态，使种子光信号沿着圆锥辐射的锥面 方向入射到参量放大系统的宽带非线性晶体上；③通过对种子光信号收集耦合系 统本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对种子光信号进行超快时间分辨测量的方法，主要包括以下步骤：（１）由激光脉冲光源产生的超短激光脉冲经过能量调节、准直缩束及空间滤波系统优化选择后，由光学分束系统分成两路，其中一路通过时间延迟控制系统，然后一路通过参量泵浦脉冲频率变换与偏振控制系统和泵浦脉冲耦合系统；另一路通过种子激发脉冲频率变换与偏振控制系统送至种子样品，激发样品产生种子光信号，并由种子光信号收集耦合系统收集；（２）收集后的种子光信号与泵浦脉冲，以一定匹配角度入射到参量放大系统上，使参量放大系统以线性放大状态对样品种子光信号进行超快放大；（３）利用参量放大信号探测系统，依次完成信号探测、记录、参比修正，以及对放大种子光信号的超快光谱分析与时间分辨测量处理，给出相应的检测结果；（４）在参量放大信号处理系统中，通过对时间延迟控制系统的调整，改变种子光信号相对于泵浦脉冲的相对延迟，使二者处在可调节的时间相关状态，重复步骤（３），得出种子光随时间演化的超快时间分辨测量结果。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李锋铭，王树峰，杨宏，龚旗煌，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]