專利名稱：常溫常壓飛秒cars時(shí)間分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非線性光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種常溫常壓實(shí)驗(yàn)條件下的CARS光 譜測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
CARS (CoherentAnti-StokesRamanScattering),即相干反斯托克斯喇曼散射是一 種相干的非線性激光光譜技術(shù)，具有方向性好，靈敏度高以及抗背景干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，這 種光譜技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到許多領(lǐng)域。隨著飛秒激光器的問世，采用飛秒激光脈沖作為光源， 具有超快時(shí)間分辨能力、信號(hào)強(qiáng)度較高特點(diǎn)的飛秒CARS被廣泛應(yīng)用于諸如相干控制化學(xué) 反應(yīng)、生物顯微成像、痕跡量元素和自由基濃度檢測(cè)、燃燒診斷等領(lǐng)域；利用飛秒CARS時(shí)間 分辨光譜進(jìn)行超快分子內(nèi)動(dòng)力學(xué)過程研究；提供分子本身的結(jié)構(gòu)振動(dòng)模式以及通過馳豫過 程和溫度得到各種類碰撞分子的密度等信息。但是在研究氣體樣品時(shí)，由于氣體中分子濃度相對(duì)于固體或液體的濃度要低得 多，因此氣體的CARS信號(hào)也較其他兩種狀態(tài)介質(zhì)中得到的CARS信號(hào)要弱得多。由于受接 收系統(tǒng)檢測(cè)微弱信號(hào)的能力及飛秒激光器輸出功率等因素的影響，目前，檢測(cè)氣體樣品，比 如檢測(cè)碘蒸氣樣品的飛秒CARS時(shí)間分辨光譜均是在飽和蒸汽壓、樣品池加熱條件的下進(jìn) 行的，實(shí)驗(yàn)限制條件多，不便于實(shí)際中更換其他樣品進(jìn)行測(cè)試，限制了 CARS時(shí)間分辨技術(shù) 更加廣泛的應(yīng)用于各領(lǐng)域中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決已有氣體飛秒CARS時(shí)間分辨光譜測(cè)量需在高溫、高壓 的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行這一問題，提供了一種常溫常壓飛秒CARS時(shí)間分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)。常溫常壓飛秒CARS時(shí)間分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)，它包括飛秒激光器、第一光學(xué)參量放 大器、第二光學(xué)參量放大器、第一分束片、第二分束片、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、第十二反射鏡、第十三反射鏡、第十四反射鏡、第十五反射鏡、第一光學(xué) 延遲線、第二光學(xué)延遲線、第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、濾波片、樣品池、探頭、單色儀、光 電倍增管、BOXCAR、示波器和空間濾波器，
飛秒激光器輸出的激光經(jīng)過第一分束片分成透射光束A和反射光束B，所述的透射光 束A經(jīng)過第一光學(xué)參量放大器輸出為光束C，沿所述的光束C的入射光束方向，依次為第一 反射鏡、第二反射鏡及第二分束片，所述的第二分束片將光束C分成透射光束D及反射光束 E,
所述的透射光束D為探測(cè)光，沿所述的探測(cè)光束D的入射光束方向，依次為第三反射鏡、第一光學(xué)延遲線、第四反射鏡、第五反射鏡、第六反射鏡及第一透鏡，
所述的反射光束E為泵浦光，沿泵浦光束E的入射光束方向，依次為第七反射鏡、第八反射鏡、第九反射鏡及第一透鏡，
所述的反射光束B經(jīng)過第二光學(xué)參量放大器輸出為斯托克斯光束F，沿所述的斯托克 斯光束F的入射光束方向，依次為第十反射鏡、第十一反射鏡、第十二反射鏡、第二光學(xué)延 遲線、第十三反射鏡、第十四反射鏡及第一透鏡，
入射至所述的第一透鏡的探測(cè)光束D、泵浦光束E及的斯托克斯光束F經(jīng)第一透鏡聚焦 到樣品池中，并與樣品池中的介質(zhì)作用，經(jīng)過第二透鏡將匯聚的光束平行射出，除原光路傳 播方向上的三束光外，還存在第四束光，即為CARS光束G，
所述的經(jīng)過第二透鏡射出的、原光路傳播方向上的三束光用空間濾波器進(jìn)行濾波，沿 所述的CARS光束G的出射光束方向，依次為第十五反射鏡、第三透鏡、濾波片和探頭，
探頭的光束輸出端與單色儀的光束輸入端相連，電腦控制信號(hào)輸出端與單色儀的控制 信號(hào)輸入端相連，單色儀的光信號(hào)輸出端與光電倍增管的光信號(hào)輸入端相連，光電倍增管 將輸入的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，光電倍增管的電信號(hào)輸出端與BOXCAR的電信號(hào)采集 輸入端相連，BOXCAR將采集到的CARS光強(qiáng)電信號(hào)導(dǎo)入到電腦中進(jìn)行處理，同時(shí)BOXCAR的 CARS光強(qiáng)電信號(hào)輸出端與示波器的CARS光強(qiáng)電信號(hào)輸入端相連。本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明所述的常溫常壓飛秒CARS時(shí)間分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)較以往的飛秒CARS時(shí)間分辨 光譜測(cè)量系統(tǒng)而言操作簡(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)條件易于實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集部分采集到的CARS信號(hào)信噪比 高，所得的時(shí)間延遲譜在時(shí)間正、負(fù)延遲方向上的分辨率精確，信號(hào)強(qiáng)度的周期性變化清晰 可見，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)測(cè)量基態(tài)和激發(fā)態(tài)的能級(jí)壽命和振動(dòng)周期。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了常溫常壓實(shí)驗(yàn)條件下CARS光譜的測(cè)量，有利于CARS時(shí)間分辨技術(shù) 更加廣泛的應(yīng)用于各領(lǐng)域中，使在常溫常壓下測(cè)量其他物質(zhì)的動(dòng)力學(xué)信息成為可能。


圖1是具體實(shí)施方式
一的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是具體實(shí)施方式
二的裝置結(jié)構(gòu)示 意圖；圖3是入射到第一透鏡的探測(cè)光束D、泵浦光束E及斯托克斯光束F在與光束方向垂 直的平面上的位置示意圖；圖4是經(jīng)過第二透鏡L2平行射出的四束光在與光束方向垂直的 平面上的位置示意圖；圖5是泵浦光為575nm，斯托克斯光為660nm，樣品為酒精時(shí)的CARS 信號(hào)光譜圖；圖6是泵浦光為600nm，斯托克斯光為640nm，樣品為甲醇時(shí)的CARS信號(hào)光譜 圖；圖7是泵浦光為570nm，斯托克斯光為590nm，樣品為碘蒸氣時(shí)，在飽和蒸汽壓下的CARS 信號(hào)光譜圖；圖8是泵浦光為570nm，斯托克斯光為590nm，樣品為碘蒸氣時(shí)的CARS信號(hào)光 譜圖；圖9是泵浦光為570nm，斯托克斯光為590nm，樣品為空氣時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的CARS 信號(hào)光譜圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖1說明本具體實(shí)施方式
，常溫常壓飛秒CARS時(shí)間分辨光 譜測(cè)量系統(tǒng)，它包括飛秒激光器1、第一光學(xué)參量放大器0PA1、第二光學(xué)參量放大器0PA2、 第一分束片D1、第二分束片D2、第一反射鏡R1、第二反射鏡R2、第三反射鏡R3、第四反射鏡 R4、第五反射鏡R5、第六反射鏡R6、第七反射鏡R7、第八反射鏡R8、第九反射鏡R9、第十反射 鏡R10、第十一反射鏡R11、第十二反射鏡R12、第十三反射鏡R13、第十四反射鏡R14、第十五反射鏡R15、第一光學(xué)延遲線DL1、第二光學(xué)延遲線DL2、第一透鏡Li、第二透鏡L2、第三透 鏡L3、濾波片F(xiàn)L、樣品池2、探頭3、單色儀4、光電倍增管5、B0XCAR6、示波器7和空間濾波 器8，
飛秒激光器1輸出的激光經(jīng)過第一分束片Dl分成透射光束A和反射光束B，所述的透 射光束A經(jīng)過第一光學(xué)參量放大器OPAl輸出為光束C，沿所述的光束C的入射光束方向，依 次為第一反射鏡R1、第二反射鏡R2及第二分束片D2，所述的第二分束片D2將光束C分成 透射光束D及反射光束E，
所述的透射光束D為探測(cè)光，沿所述的探測(cè)光束D的入射光束方向，依次為第三反射鏡 R3、第一光學(xué)延遲線DL1、第四反射鏡R4、第五反射鏡R5、第六反射鏡R6及第一透鏡Li，
所述的反射光束E為泵浦光，沿泵浦光束E的入射光束方向，依次為第七反射鏡R7、第 八反射鏡R8、第九反射鏡R9及第一透鏡Li，
所述的反射光束B經(jīng)過第二光學(xué)參量放大器0PA2輸出為斯托克斯光束F，沿所述的斯 托克斯光束F的入射光束方向，依次為第十反射鏡R10、第十一反射鏡R11、第十二反射鏡 R12、第二光學(xué)延遲線DL2、第十三反射鏡R13、第十四反射鏡R14及第一透鏡Li，
入射至所述的第一透鏡Ll的探測(cè)光束D、泵浦光束E及的斯托克斯光束F經(jīng)第一透鏡 Ll聚焦到樣品池2中，并與樣品池2中的介質(zhì)作用，經(jīng)過第二透鏡L2將匯聚的光束平行射 出，除原光路傳播方向上的三束光外，還存在第四束光，即為CARS光束G，
所述的經(jīng)過第二透鏡L2射出的、原光路傳播方向上的三束光用空間濾波器8進(jìn)行濾 波，沿所述的CARS光束G的出射光束方向，依次為第十五反射鏡R15、第三透鏡L3、濾波片 FL和探頭3，
探頭3的光束輸出端與單色儀4的光束輸入端相連，電腦控制信號(hào)輸出端與單色儀4 的控制信號(hào)輸入端相連，單色儀4的光信號(hào)輸出端與光電倍增管5的光信號(hào)輸入端相連，光 電倍增管5將輸入的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，光電倍增管5的電信號(hào)輸出端與B0XCAR6 的電信號(hào)采集輸入端相連，B0XCAR6將采集到的CARS光強(qiáng)電信號(hào)導(dǎo)入到電腦中進(jìn)行處理， 同時(shí)B0XCAR6的CARS光強(qiáng)電信號(hào)輸出端與示波器7的CARS光強(qiáng)電信號(hào)輸入端相連。本實(shí)施方式所述的第一光學(xué)參量放大器OPAl及第二光學(xué)參量放大器0PA2為兩個(gè) 相同的光學(xué)參量放大器，均由電腦自動(dòng)控制。第一光學(xué)參量放大器OPAl及第二光學(xué)參量放 大器0PA2，能夠?qū)崿F(xiàn)從240納米到20微米的可調(diào)諧輸出，在可調(diào)諧范圍內(nèi)，其輸出功率為 4(T60mW。本實(shí)施方式所述的第一光學(xué)延遲線DLl由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電腦控制步進(jìn)電機(jī)，實(shí) 現(xiàn)光程的調(diào)節(jié)，所得的時(shí)間延遲譜在時(shí)間正、負(fù)延遲方向上的分辨率更為精確。步進(jìn)電機(jī)控 制軟件采用北京光學(xué)儀器廠開發(fā)的步進(jìn)電機(jī)控制軟件。本實(shí)施方式所述的探頭3用于對(duì)接收到的光信號(hào)進(jìn)行空間濾波。本實(shí)施方式所述的單色儀4能夠從寬波段的光束中分離出一系列狹窄波段的光 束ο本實(shí)施方式所述的光電倍增管5將接收到的光信號(hào)通過進(jìn)一步的二次發(fā)射得到倍增放大的輸出光信號(hào)。本實(shí)施方式所述的B0XCAR6配置有電腦GPIB接口，前置放大器工作帶寬為 350MHz。B0XCAR6將光電倍增管5輸出的電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)接收到的電信號(hào)進(jìn)行時(shí)域?yàn)V波。針對(duì)B0XCAR6所使用的采集軟件為StanfordResearchSystems開發(fā)的DataAcquisi tionProgramfortheSR245 軟件。本實(shí)施方式所述的示波器7接收B0XCAR6輸出的CARS光強(qiáng)電信號(hào)，示波器7對(duì)接收到的CARS光強(qiáng)電信號(hào)有監(jiān)測(cè)的作用，能夠方便的控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精確的光程調(diào)節(jié)。本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明所述的常溫常壓飛秒CARS時(shí)間分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)較以往的飛秒CARS時(shí)間分辨 光譜測(cè)量系統(tǒng)而言操作簡(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)條件易于實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集部分采集到的CARS信號(hào)信噪比 高，所得的時(shí)間延遲譜在時(shí)間正、負(fù)延遲方向上的分辨率精確，信號(hào)強(qiáng)度的周期性變化清晰 可見，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)測(cè)量基態(tài)和激發(fā)態(tài)的能級(jí)壽命和振動(dòng)周期。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了常溫常壓實(shí)驗(yàn)條件下CARS光譜的測(cè)量，有利于CARS時(shí)間分辨技術(shù) 更加廣泛的應(yīng)用于各領(lǐng)域中，使在常溫常壓下測(cè)量其他物質(zhì)的動(dòng)力學(xué)信息成為可能。
具體實(shí)施方式
二 下面結(jié)合圖2具體說明本實(shí)施方式。本具體實(shí)施方式
與具體實(shí) 施方式一所述的常溫常壓飛秒CARS時(shí)間分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)的區(qū)別在于它還包括第一光 闌HI、第二光闌H2、第三光闌H3、第四光闌H4、第五光闌H5及第六光闌H6，第一光闌Hl置 于光束C從第一反射鏡Rl反射到第二反射鏡R2的光路上，第二光闌H2置于光束C從第二 反射鏡R2反射到第二分束片D2的光路上，第三光闌H3置于斯托克斯光束F從第十反射鏡 RlO反射到第十一反射鏡Rll的光路上，第四光闌H4置于斯托克斯光束F從第十二反射鏡 R12反射到第二光學(xué)延遲線DL2的光路上，第五光闌H5置于CARS光束G從第二透鏡L2出 射到第十五反射鏡R15的光路上，第六光闌H6置于CARS光束G從第三透鏡L3透射到濾波 片F(xiàn)L的光路上。本實(shí)施方式所述的第一光闌HI、第二光闌H2、第三光闌H3、第四光闌H4、第五光闌 H5及第六光闌H6用于控制通過光束的強(qiáng)弱。
具體實(shí)施方式
三本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
一所述的常溫常壓飛秒CARS 時(shí)間分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)的區(qū)別在于飛秒激光器1泵浦第一光學(xué)參量放大器OPAl及第二 光學(xué)參量放大器0PA2，應(yīng)用和頻、差頻以及倍頻技術(shù)輸出240納米到20微米全程計(jì)算機(jī)自 動(dòng)控制飛秒可調(diào)諧激光，所述的飛秒激光器1為美國(guó)Coherent公司制造的千赫茲飛秒激 光器，所述的飛秒激光器1輸出的激光中心波長(zhǎng)為800nm，脈沖能量為2. 5mJ，脈沖寬度為 40fs ；所述的第一光學(xué)參量放大器OPAl及第二光學(xué)參量放大器0PA2為美國(guó)Coherent公司 制造的TOPAS-800-fs光學(xué)參量放大器。
具體實(shí)施方式
四本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
一所述的常溫常壓飛秒CARS 時(shí)間分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)的區(qū)別在于所述的第一分束片Dl及第二分束片D2的分束比為 1:1。所述的第一分束片Dl將飛秒激光器1輸出的激光分為光強(qiáng)相等的透射光束A和 反射光束B ；所述的第二分束片D2將光束C分為光強(qiáng)相等的透射光束D和反射光束E。
具體實(shí)施方式
五本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
一所述的常溫常壓飛秒CARS 時(shí)間分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)的區(qū)別在于所述的第一透鏡Ll及第二透鏡L2的焦距為30cm。
具體實(shí)施方式
六本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
一所述的常溫常壓飛秒CARS 時(shí)間分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)的區(qū)別在于所述的樣品池2位于第一透鏡Ll的焦點(diǎn)處，所述的樣 品池2中的介質(zhì)為液體或稀薄的氣體，液體或者稀薄的氣體的喇曼能級(jí)與通過第二光學(xué)參量放大器0PA2輸出的斯托克斯光束F、通過第一光學(xué)參量放大器OPAl輸出的泵浦光束E或探測(cè)光束D對(duì)應(yīng)的激發(fā)能級(jí)相匹配，所述的液體為酒精、甲醇、二硫化碳或水，所述稀薄的 氣體為碘蒸氣、稀薄氮?dú)饣蛳”錃狻?br> 具體實(shí)施方式
七下面結(jié)合圖3具體說明本實(shí)施方式。本具體實(shí)施方式
與具體實(shí) 施方式一所述的常溫常壓飛秒CARS時(shí)間分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)的區(qū)別在于所述的入射到第 一透鏡Ll的探測(cè)光束D、泵浦光束E及的斯托克斯光束F在空間上相互平行，在與光束方向 垂直的平面上分別位于一個(gè)正方形的三個(gè)頂點(diǎn)，所述的探測(cè)光束D、泵浦光束E及的斯托克 斯光束F能量相等，每束光的光束直徑為4mm，所述的正方形的邊長(zhǎng)為8mm。圖3中，光斑D'為探測(cè)光束D在與光束方向垂直的平面上的光斑；光斑E'為探 測(cè)光束E在與光束方向垂直的平面上的光斑；光斑F'為探測(cè)光束F在與光束方向垂直的 平面上的光斑。探測(cè)光束D、泵浦光束E及的斯托克斯光束F為空間上相互平行的三束光，其中，泵 浦光束E通過調(diào)整第七反射鏡R7、第八反射鏡R8及第九反射鏡R9的位置使其傳輸高度上升。
具體實(shí)施方式
八下面結(jié)合圖4具體說明本實(shí)施方式。本具體實(shí)施方式
與具體實(shí) 施方式一所述的常溫常壓飛秒CARS時(shí)間分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)的區(qū)別在于所述的經(jīng)過第二 透鏡L2平行射出的四束光，在與光束方向垂直的平面上分別位于一個(gè)正方形的四個(gè)頂點(diǎn) 上。圖4中，光斑D"為探測(cè)光束D在與光束方向垂直的平面上的光斑；光斑E"為探測(cè) 光束E在與光束方向垂直的平面上的光斑；光斑F"為探測(cè)光束F在與光束方向垂直的平面 上的光斑；光斑G"為探測(cè)光束G在與光束方向垂直的平面上的光斑。
具體實(shí)施方式
九本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
一所述的常溫常壓飛秒CARS 時(shí)間分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)的區(qū)別在于所述的探頭3為光纖探頭，光纖探頭的接收端面為圓 形端面，所述圓形端面的直徑為1mm。本實(shí)施方式采用端面直徑為Imm的光纖探頭3接收信號(hào)，在空間能更精確的濾除 背景噪聲，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為準(zhǔn)確。
具體實(shí)施方式
十下面結(jié)合圖5至圖9說明本實(shí)施方式。本具體實(shí)施方式
與具體 實(shí)施方式一所述的常溫常壓飛秒CARS時(shí)間分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)的區(qū)別在于所述的B0XCAR6 與控制第一光學(xué)延遲線DLl探測(cè)光延遲時(shí)間的步進(jìn)電機(jī)由一臺(tái)電腦同步控制。本發(fā)明用一臺(tái)電腦同時(shí)控制B0XCAR6與控制第一光學(xué)延遲線DLl探測(cè)光延遲時(shí)間 的步進(jìn)電機(jī)，提高了 CARS時(shí)間分辨譜的采集精度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可操作性。在進(jìn)行CARS時(shí)間分辨譜采集時(shí)，需要調(diào)整到步進(jìn)電機(jī)每步駐停時(shí)間與B0XCAR6 采集輸出的每個(gè)平均觸發(fā)信號(hào)的時(shí)間相同，電腦上軟件顯示具體表現(xiàn)為步進(jìn)電機(jī)每前進(jìn)一 步，記錄軟件就記錄一個(gè)光強(qiáng)度數(shù)據(jù)。對(duì)本實(shí)施方式所述的常溫常壓飛秒CARS時(shí)間分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行可行性測(cè) 定，分別在液態(tài)樣品和靜態(tài)樣品池中進(jìn)行測(cè)試。1.液態(tài)樣品中飛秒CARS時(shí)間分辨光譜圖
由于有機(jī)液體分子較大，分子內(nèi)部能級(jí)復(fù)雜，振動(dòng)周期較長(zhǎng)，所以在能夠采集到的探測(cè) 光D時(shí)間延遲范圍內(nèi)沒有觀測(cè)到分子的振動(dòng)周期性。從圖5及圖6所示的光譜中可以看出，本實(shí)施方式所述的系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)能夠獲得很高的信噪比。實(shí)驗(yàn)條件為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下， 室溫25攝氏度的情況。2.靜態(tài)樣品池中飛秒CARS時(shí)間分辨光譜圖
將碘蒸氣飽和蒸汽壓和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的光譜圖做了比較。光譜圖中負(fù)延遲時(shí)間一側(cè)體 現(xiàn)的是粒子激發(fā)態(tài)的信息；正延遲方向譜體現(xiàn)粒子基態(tài)信息。圖7為飽和蒸汽壓下碘蒸氣 的CARS時(shí)間分辨光譜圖；圖8為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖。從兩幅圖中可以看出，氣壓的 變化對(duì)粒子的時(shí)間分辨譜沒有形成比較明顯的影響，在正負(fù)時(shí)間延遲的范圍內(nèi)振蕩周期不 變。在特定波長(zhǎng)下，空氣也會(huì)產(chǎn)生CARS信號(hào)，由相同波長(zhǎng)激發(fā)空氣的時(shí)間分辨圖可以 看出，空氣的CARS信號(hào)在時(shí)間零點(diǎn)附近沒有出現(xiàn)周期性變化，所以在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下激發(fā)氣 體樣品的波長(zhǎng)如果不與氮?dú)獾睦芗?jí)重合，就可以排除空氣對(duì)樣品時(shí)間分辨光譜的影 響。實(shí)驗(yàn)條件為室溫25攝氏度。從圖9中可以看出，空氣的CARS信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間延遲并沒有顯示出明顯的振動(dòng)周 期性，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是泵浦光F與斯托克斯光E沒有與喇曼能級(jí)發(fā)生共振，在粒子被 激發(fā)后振動(dòng)就迅速的衰減了。實(shí)驗(yàn)條件為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，室溫25攝氏度。
權(quán)利要求
常溫常壓飛秒CARS時(shí)間分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)，其特征是它包括飛秒激光器(1)、第一光學(xué)參量放大器(OPA1)、第二光學(xué)參量放大器(OPA2)、第一分束片(D1)、第二分束片(D2)、第一反射鏡(R1)、第二反射鏡(R2)、第三反射鏡(R3)、第四反射鏡(R4)、第五反射鏡(R5)、第六反射鏡(R6)、第七反射鏡(R7)、第八反射鏡(R8)、第九反射鏡(R9)、第十反射鏡(R10)、第十一反射鏡(R11)、第十二反射鏡(R12)、第十三反射鏡(R13)、第十四反射鏡(R14)、第十五反射鏡(R15)、第一光學(xué)延遲線(DL1)、第二光學(xué)延遲線(DL2)、第一透鏡(L1)、第二透鏡(L2)、第三透鏡(L3)、濾波片(FL)、樣品池(2)、探頭(3)、單色儀(4)、光電倍增管(5)、BOXCAR(6)、示波器(7)和空間濾波器(8)，飛秒激光器(1)輸出的激光經(jīng)過第一分束片(D1)分成透射光束A和反射光束B，所述的透射光束A經(jīng)過第一光學(xué)參量放大器(OPA1)輸出為光束C，沿所述的光束C的入射光束方向，依次為第一反射鏡(R1)、第二反射鏡(R2)及第二分束片(D2)，所述的第二分束片(D2)將光束C分成透射光束D及反射光束E，所述的透射光束D為探測(cè)光，沿所述的探測(cè)光束D的入射光束方向，依次為第三反射鏡(R3)、第一光學(xué)延遲線(DL1)、第四反射鏡(R4)、第五反射鏡(R5)、第六反射鏡(R6)及第一透鏡(L1)，所述的反射光束E為泵浦光，沿泵浦光束E的入射光束方向，依次為第七反射鏡(R7)、第八反射鏡(R8)、第九反射鏡(R9)及第一透鏡(L1)，所述的反射光束B經(jīng)過第二光學(xué)參量放大器(OPA2)輸出為斯托克斯光束F，沿所述的斯托克斯光束F的入射光束方向，依次為第十反射鏡(R10)、第十一反射鏡(R11)、第十二反射鏡(R12)、第二光學(xué)延遲線(DL2)、第十三反射鏡(R13)、第十四反射鏡(R14)及第一透鏡(L1)，入射至所述的第一透鏡(L1)的探測(cè)光束D、泵浦光束E及的斯托克斯光束F經(jīng)第一透鏡(L1)聚焦到樣品池(2)中，并與樣品池(2)中的介質(zhì)作用，經(jīng)過第二透鏡(L2)將匯聚的光束平行射出，除原光路傳播方向上的三束光外，還存在第四束光，即為CARS光束G，所述的經(jīng)過第二透鏡(L2)射出的、原光路傳播方向上的三束光用空間濾波器(8)進(jìn)行濾波，沿所述的CARS光束G的出射光束方向，依次為第十五反射鏡(R15)、第三透鏡(L3)、濾波片(FL)和探頭(3)，探頭(3)的光束輸出端與單色儀(4)的光束輸入端相連，電腦控制信號(hào)輸出端與單色儀(4)的控制信號(hào)輸入端相連，單色儀(4)的光信號(hào)輸出端與光電倍增管(5)的光信號(hào)輸入端相連，光電倍增管(5)將輸入的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，光電倍增管(5)的電信號(hào)輸出端與BOXCAR(6)的電信號(hào)采集輸入端相連，BOXCAR(6)將采集到的CARS光強(qiáng)電信號(hào)導(dǎo)入到電腦中進(jìn)行處理，同時(shí)BOXCAR(6)的CARS光強(qiáng)電信號(hào)輸出端與示波器(7)的CARS光強(qiáng)電信號(hào)輸入端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的常溫常壓飛秒CARS時(shí)間分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于它 還包括第一光闌(HI)、第二光闌(H2)、第三光闌(H3)、第四光闌(H4)、第五光闌(H5)及第六 光闌(H6)，第一光闌(Hl)置于光束C從第一反射鏡(Rl)反射到第二反射鏡(R2)的光路上， 第二光闌(H2)置于光束C從第二反射鏡(R2)反射到第二分束片(D2)的光路上，第三光闌 (H3)置于斯托克斯光束F從第十反射鏡(RlO)反射到第十一反射鏡(Rll)的光路上，第四 光闌(H4)置于斯托克斯光束F從第十二反射鏡(R12)反射到第二光學(xué)延遲線(DL2)的光路上，第五光闌(H5)置于CARS光束G從第二透鏡(L2)出射到第十五反射鏡(R15)的光路上， 第六光闌(H6)置于CARS光束G從第三透鏡(L3)透射到濾波片(FL)的光路上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的常溫常壓飛秒CARS時(shí)間分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于飛 秒激光器(1)泵浦第一光學(xué)參量放大器(OPAl)及第二光學(xué)參量放大器(0PA2)，應(yīng)用和頻、 差頻以及倍頻技術(shù)輸出240納米到20微米全程計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制飛秒可調(diào)諧激光，所述的飛 秒激光器(1)為美國(guó)Coherent公司制造的千赫茲飛秒激光器，所述的飛秒激光器(1)輸出 的激光中心波長(zhǎng)為800nm，脈沖能量為2. 5mJ，脈沖寬度為40fs ；所述的第一光學(xué)參量放大 器(OPAl)及第二光學(xué)參量放大器(0PA2)為美國(guó)Coherent公司制造的TOPAS-800-fs光學(xué) 參量放大器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的常溫常壓飛秒CARS時(shí)間分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所 述的第一分束片(Dl)及第二分束片(D2)的分束比為1:1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的常溫常壓飛秒CARS時(shí)間分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所 述的第一透鏡(Li)及第二透鏡(L2)的焦距為30cm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的常溫常壓飛秒CARS時(shí)間分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所 述的樣品池(2)位于第一透鏡(Li)的焦點(diǎn)處，所述的樣品池(2)中的介質(zhì)為液體或稀薄的 氣體，液體或者稀薄的氣體的喇曼能級(jí)與通過第二光學(xué)參量放大器(0PA2)輸出的斯托克斯 光束F、通過第一光學(xué)參量放大器(OPAl)輸出的泵浦光束E或探測(cè)光束D對(duì)應(yīng)的激發(fā)能級(jí) 相匹配，所述的液體為酒精、甲醇、二硫化碳或水，所述稀薄的氣體為碘蒸氣、稀薄氮?dú)饣蛳?薄氫氣。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的常溫常壓飛秒CARS時(shí)間分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于 所述的入射到第一透鏡(Li)的探測(cè)光束D、泵浦光束E及的斯托克斯光束F在空間上相互 平行，在與光束方向垂直的平面上分別位于一個(gè)正方形的三個(gè)頂點(diǎn)，所述的探測(cè)光束D、泵 浦光束E及的斯托克斯光束F能量相等，每束光的光束直徑為4mm，所述的正方形的邊長(zhǎng)為 8mm ο
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的常溫常壓飛秒CARS時(shí)間分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所 述的經(jīng)過第二透鏡(L2)平行射出的四束光，在與光束方向垂直的平面上分別位于一個(gè)正方 形的四個(gè)頂點(diǎn)上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的常溫常壓飛秒CARS時(shí)間分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所 述的探頭(3)為光纖探頭，光纖探頭的接收端面為圓形端面，所述圓形端面的直徑為1mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的常溫常壓飛秒CARS時(shí)間分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于 所述的BOXCAR (6)與控制第一光學(xué)延遲線(DLl)探測(cè)光延遲時(shí)間的步進(jìn)電機(jī)由一臺(tái)電腦 同步控制。
全文摘要
常溫常壓飛秒CARS時(shí)間分辨光譜測(cè)量系統(tǒng)，它涉及非線性光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。它解決了已有飛秒CARS時(shí)間分辨光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)限制因素多的問題。本發(fā)明所述的系統(tǒng)將飛秒激光器輸出的光束經(jīng)過一系列反射鏡及光學(xué)延遲線調(diào)整后，形成三束能量相近、在光束的垂直方向上分別位于一個(gè)正方形的三個(gè)頂點(diǎn)上的光束，光束聚焦到樣品池后，沿特定角度出射一個(gè)新的光束，即CARS信號(hào)，濾波片對(duì)其濾波后采用探頭接收，并輸入到單色儀中，經(jīng)光電倍增管轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)利用BOXCAR進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本發(fā)明能夠在常溫常壓的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行飛秒CARS時(shí)間分辨光譜測(cè)量，適用于對(duì)靜態(tài)樣品池中的氣體樣品及液態(tài)樣品的飛秒CARS光譜探測(cè)。
文檔編號(hào)G01J3/44GK101819064SQ20101016837
公開日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2010年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月11日
發(fā)明者于欣, 夏元?dú)J, 張?zhí)焯? 樊榮偉, 賀平, 陳德應(yīng) 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)