非共线的红外和频光谱的时间分辨泵浦-探测装置及方法

技术领域

本发明属于光谱学技术领域，尤其涉及一种非共线的红外和频光谱的时间分辨泵浦-探测装置及方法。

背景技术

红外光谱测量被广泛地用于各种样品分析和检测，适用性相当广泛，固态、液态或气态样品都能应用，无机、有机、高分子化合物都可检测。它具有测试迅速，操作方便，重复性好，灵敏度高，试样用量少等特点，已成为现代结构化学和分析化学最常用和不可缺少的工具。通常红外光谱测量采用的傅里叶变换红外光谱测量，其基本原理是基于迈克尔逊干涉，进行红外吸收光谱测量，是一种主动的探测手段。

原子、分子或者离子在固体表面吸附特性的研究可以了解相关元素在生物圈中的迁移行为，对于环境保护和生物圈修复至关重要。同时表面吸附原子、分子或者离子的光谱响应的波长多处于中红外波段，现有光谱测量手段多为扫描式，难以实现光谱一次性成谱的快速测量。例如，傅里叶变换红外光谱测量利用了相干信号强度与入射光光程之间的关系，无法探测脉冲式的中红外光光谱。

发明内容

本发明旨在提供一种用于表面吸附特性的中红外脉冲光谱探测技术，该装置十分紧凑，光路相对简单，实际调节方便，并具有较高稳定性；基于反射光学的原理，尽可能避免了光束透过镜片引入的像差，并具有用于更宽的波长区域的潜力。

所涉及相关的仪器及器件：本发明采取了一种非共线的红外和频光谱时间分辨的泵浦-探测装置，该系统包含了飞秒激光器分束器、方形反射镜、BBO晶体、二相色镜、电动位移台、反射镜、样品、分光镜、光阑、光谱仪、计算机、凸透镜以及CCD相机。

所涉及的主要过程：激光器出射光经过分束器后分为泵浦和探测脉冲，探测光经过另外一分束器再分成两束激光，其中一束探测光，经过光参量放大器(TOPAS)调制输出中红外连续频率而后经过楔形玻璃对相位进行微调；另一束探测光，经过延迟后通过二相色镜与第一束探测光汇聚。泵浦脉冲经过BBO晶体倍频再通过延时调节经二相色镜与探测光合成一束，再经过聚焦入射样品表面，经样品反射的探测脉冲进入光谱仪。其中泵浦光和第二束探测光光路中的镜架安装在上述电动位移台上，用于调节两束光到达样品处的时间延迟。

过程监控：利用CCD相机采集三束脉冲在焦点处光斑信号并送入计算机，用于在测量过程中实时地监测两束脉冲的时间和空间重合，确保实验的稳定性和结果的可靠性。

有益效果:

1、该发明涉及光路采用反射式光学设计，结构相对简单紧凑，稳定性高。

2、装置灵活，将中红外波段的光谱探测转移到近红外波段，可实现较大范围内的中红外波段脉冲光的全谱快速测量。

3、同时测量表面吸附原子、分子或者离子的发射光谱的振幅和相位信息，可广泛地用于表面吸附特性测量与研究。

附图说明

图1为本发明非共线的红外和频光谱的时间分辨泵浦-探测装置的结构示意图。

图2为本发明非共线的红外和频光谱的时间分辨泵浦-探测装置的原理示意图。

图3为本发明非共线的红外和频光谱的时间分辨泵浦-探测方法的流程图。

其中：1.第一分束器；2.BBO晶体；3.第一反射镜；4.第二反射镜；5.第三反射镜；6.第四反射镜；9.第五反射镜；10.第六反射镜；11.第七反射镜；14.第八反射镜；20.第九反射镜；21.第十反射镜；7.第一电机可调反射镜；8.第二分束器；12.第二电机可调反射镜；13.第一二相色镜；15.相位调节器；16.第三电机可调反射镜；17.第二二相色镜；18.凸透镜；19.第三分束器；22.第一滤光器；23.第二滤光器。

具体实施方式

如图1-3所示，本发明公开了非共线的红外和频光谱的时间分辨泵浦-探测装置，包括第一分束器1、BBO晶体2、第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5、第四反射镜6、第五反射镜9、第六反射镜10、第七反射镜11、第八反射镜14、第九反射镜20、第十反射镜21、第一电机可调反射镜7、第二分束器8、第二电机可调反射镜12、第一二相色镜13、相位调节器15、第三电机可调反射镜16、第二二相色镜17、凸透镜18、第三分束器19、第一滤光器22、第二滤光器23。

入射激光经过第一分束器1后被分为泵浦和探测两束脉冲，泵浦经过BBO晶体二倍频后经过第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5、第四反射镜6，进入第一电机可调反射镜7；探测光经过第二分束器8后被分为探测光1和探测光2。探测光1经由第五反射镜9、第六反射镜10、第七反射镜11和第二电机可调反射镜12进入第一二相色镜13；探测光2经由反射镜14进入TOPAS转变为中红外连续谱，再经过相位调节器15由第三电机可调反射镜16进入第一二相色镜13与探测光1共线汇合。再由第二二相色镜17与泵浦光共线汇合。汇合后的光经由第三分束器19被分成两束，一束被CCD相机采集送入计算机，用于在测量过程中实时地监测两束脉冲的空间重合性，并可以确认它们的时间重合性，确保实验的稳定性和结果的可靠性；另一束经由反射镜20进入样品表面。由样品表面反射的探测信号经由反射镜21再通过第一滤光器滤去低频信号和第二滤光器滤去800nm的信号，最后进入光栅光谱仪探测，探测所得光谱进行电脑的数据处理分析呈现进行和频光谱分析，提取光谱的振幅和相位信息。

CCD与第一电机可调反光镜7、第二电机可调反光镜12、第三电机可调反光镜16和电脑构成一个反馈控制系统。CCD实时采集三束激光的重合后空间图样，传入到电脑的分析控制程序，一旦三束激光的空间重合发生偏移，分析控制程序将分别控制不同的电动可调反射镜，对光路进行微调以保证光路的稳定性。

泵浦激光与待测表面作用，引起表面吸附原子、分子或者离子的光谱响应，响应光谱为中外波段的脉冲光。光参量放大器TOPA(260-4400nm)控制探测光2的波长处于中红外波段，与样品表面的响应光谱以及800nm探测光1发生和频效应，产生和频光谱被光栅光谱仪探测，实现中红外光谱探测到近红外光谱探测的转换。通过扣除探测光1的频率，可以得到样品表面的中红外响应频率。测量中通过调节相位调节器15控制探测激光2与表面响应光谱的相对相位，实现对表面响应光谱的相位重建。

本发明利用飞秒激光，采用和频光谱测量技术，将中红外光谱转化为可以探测的近红外光谱范围，应用光栅光谱仪实现光谱的快速测量；基于多光束和频以及相位调控，实现待探测体系光谱响应的相位提取。本发明技术在实现固体表面吸附原子、分子或离子发射的中红外脉冲光快速探测的同时，可以提取光谱响应的相位信息，可用于表面微观吸附特性的测量与研究。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。