自动化的延迟线对准

本发明申请是基于申请日为2017年6月12日，申请号为201780003671.5(国际申请号为PCT/US2017/036961)，发明名称为“自动化的延迟线对准”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明的实施方案涉及用于在进行测量过程之前通过光门控(泵浦-探测)光谱仪中的可移动光延迟线对准光束的系统和方法。公开的对准过程在延迟线之后将光束预对准到期望和恒定的指向(轨迹)，而不需要通过调节在泵浦-探测测量过程中传输光束的元件(例如反射镜)来进一步修改射束轨迹。

背景技术

光学门控光谱方法(泵浦-探测瞬态吸收、升频转换荧光等)广泛用于研究快速光诱导过程(例如化学反应等)。在泵浦探测设置中，激光束分为泵浦脉冲和瞬时延迟探针脉冲。一般而言，样品用激光束泵脉冲进行照射，从而在样品中产生激发(或其它扰动)。然后，在可调节的时间延迟之后和激发态弛豫的同时，将激光束探测脉冲发送到样品中。通常用光延迟线控制泵浦探测脉冲时间延迟。通过分析来自探测脉冲的光的强度，测量样品的透射率或反射率。激光束泵浦脉冲和探针脉冲的照射和分析在一系列泵浦-探测时间延迟上重复，以测量在激光束泵浦脉冲的周期性激发之后样品随时间的光致变化。

光延迟线通常通过精确地控制可移动的后向反射器沿着轨道的定位(位置)进行工作。在后向反射器中，光束进入并且沿着与光束源方向平行但相反的矢量反射回来。后向反射器沿着轨道的位置的任何变化都会影响到光束在到达样品前必须行进的路径长度。人们可以根据光速计算激光脉冲在多大程度上随着后向反射器沿着轨道的位置变化而延迟。通过监视激光束探测脉冲随着时间延迟的变化，可以获得样品中产生的激发衰减或激光束泵脉冲启动的其它过程或活动的信息。

图1示出常规泵浦探测装置的实施方式。如所示的，泵浦探测装置10包括产生激光束14的激光源12和将激光束14分成泵浦脉冲束18和探测脉冲束20的半透明分束器16。两个激光束遵循不同的光路但在空间上重叠在样品22中。泵浦脉冲束18经由一系列反射镜引导至样品22，并且传入的探测脉冲束20a引导至可变(电动)的光延迟线24。光延迟线24是反射装置，其包括安装在电动平移台28(安装平台)上的后向反射器组件30，该电动平移台28通常可在球轴承上移动并且可以手动地或通过电机沿着轨道或轨迹移动(箭头

入射探测光束20a与可移动光延迟线24的后向反射器组件30在沿着轨道的不同位置处的正确对准是泵浦-探测测量实验的关键要求，因为在延迟线轨道上的任何点(箭头

入射探测光束20a通过延迟线24的平移台28和后向反射镜30a、30b的对准目前通过手动调整将探测脉冲束20a引导到延迟线中的转向反射镜26来执行。例如，将延迟线24的平移台28(和后向反射器30)移动到从轨道一端到另一端的不同位置并且监视输出探测脉冲束20b的位置和轨迹时，使用商购可得的光束分析仪或位置敏感检测器40并且结合分束器(反射镜)38(分束器38将输出的探测脉冲束20b分开并将其引导至检测器40)，或者通过眼睛监测目标上的光束位置，然后基于这些观察结果手动调整转向反射镜26的角度，以通过确保入射光束20a对准并且进入平行于延迟线平移轴36的延迟线从而使射出探测光束20b的轨迹的“离开”(即，偏移)最小化。然而，这种方法的问题在于，只有一面反射镜26可以被操纵，并且用户不能控制延迟线之后的输出探测脉冲束20b的指向(轨迹)。因此，在入射探测光束20a与延迟线进行每次对准之后，需要随后对准位于延迟线24“下游”的光学设置(例如至少反射镜32和34以及可能的其它反射镜)。

图2示出通过主动光束稳定将光束与延迟线对齐的常规系统10'的另一实施方式。这种系统主动补偿从后向反射器出射光束的轨迹对准的变化，以保持光束沿着适当的轨迹指向。在主动光束稳定系统10'中，电动反射镜M1、M2在测量期间通过连接到对应的位置敏感光电检测器40a、40b的闭环控制器42、44的反馈回路进行控制和主动调整。当光束坐标远离光电检测器40a、40b的中心移动时，将电动转向反射镜M1、M2激活以补偿位移并且使光束回到检测器的中心。这是高速完成的，以确保由光学设置(即反射镜M1、M2等)的变化引起的光束位移最小化。该方法中，不考虑反射镜M1、M2与光电检测器40a、40b之间的距离。通过简单地主动调节反射镜M1、M2来实现光束稳定，以在测量期间保持光束沿着通过空间中相同两个点的轨迹行进。

然而，在泵浦探测实验中，主动光束稳定方法是不可接受的，因为一旦延迟线扫描开始沿着轨道(箭头

因此，需要用于在光学门控光谱测量系统中预对准与沿着轨道(轨迹)的延迟线位置相关的探测脉冲束的设置和方法，其将克服前述问题。特别地，需要如下设置和方法：其用于在测量过程之前预对准探测脉冲束，由此在测量过程中随着延迟线沿着轨道的位置变化而保持进入和离开延迟线的入射和出射探测脉冲束的初始对准轨迹，而在所述过程中不进行主动光束稳定以重新调整光束的轨迹。

发明内容

在实施方式中，本发明提供用于在光谱测量装置中对准光束的系统，所述对准系统包括：

第一电动反射镜(mirror)，所述第一电动反射镜定位成接收和发送光束；

第二电动反射镜，所述第二电动反射镜相对于第一反射镜定位以接收来自第一反射镜的光束并且将光束传输到延迟线；

第三反射镜，所述第三反射镜定位成接收来自延迟线的光束并且将所述光束传输到检测器；和

基于计算机的处理器，所述基于计算机的处理器与检测器和第一反射镜和第二反射镜通信，所述处理器配置为：a)接收并且处理与来自检测器的光束有关的数据，和b)基于与光束相关的数据使第一反射镜和第二反射镜移动以改变第一反射镜和第二反射镜的角度。

在一种实施方式中，本发明提供用于在泵浦-探测光谱测量装置中预对准光束的系统，所述对准系统包括：

电动的可调光延迟线，所述电动的可调光延迟线包括后向反射器并且可沿着平移轴沿着轨道移动；

位置敏感检测器；

第一电动反射镜，所述第一电动反射镜定位成接收和传输入射光束；

第二电动反射镜，所述第二电动反射镜相对于第一反射镜定位以接收来自第一反射镜的入射光束，并且将入射光束传输到延迟线的后向反射器，第二反射镜的位置远离延迟线并且在延迟线之前；

第三反射镜，所述第三反射镜定位成接收来自延迟线的后向反射器的出射光束，并且将所述出射光束传输到检测器；和

基于计算机的处理器，所述基于计算机的处理器与检测器、延迟线以及第一反射镜和第二反射镜通信。

在一种实施方式中，基于计算机的处理器配置为：

a)在预对准过程期间接收并且处理来自检测器的数据，该数据涉及来自延迟线的出射光束在检测器上的位置，和

b)基于与来自检测器的出射光束在检测器上的位置有关的数据，使第一反射镜和第二反射镜移动从而以设定角度定位第一反射镜和第二反射镜，使入射光束和出射光束沿着轨迹对准，使得入射光束平行于延迟线的平移轴进入延迟线，并且出射光束在预对准过程期间随着延迟线的位置发生改变而在所述检测器上基本上不偏移。

在实施方式中，处理器配置为在测量过程(例如，泵浦-探测过程)之前的预对准过程期间仅执行步骤a)和b)。

在其它实施方式中，本发明提供用于在进行泵浦-探测测量过程之前在诸如泵浦-探测装置的光谱测量装置中预对准光束的方法。

预对准过程完成之后和开始测量过程(例如，泵浦-探测过程)时，随着在整个测量过程中延迟线位置的变化而入射光束从第一反射镜和第二反射镜进入延迟线的后向反射器的轨迹保持平行于延迟线的平移轴，并且从延迟线的出射光束的轨迹得到保持，而没有监测和通过所述基于计算机的处理器的反馈回路进行主动光束稳定以改变第一反射镜和第二反射镜的角度或入射光束和出射光束的轨迹。

本发明包括：

1.一种用于在测量过程之前在泵浦-探测光谱测量装置中预对准光束的系统，所述对准系统包括：

电动的可调光延迟线，所述电动的可调光延迟线包括后向反射器并且可沿着平移轴沿着轨道移动；

位置敏感检测器；

第一电动反射镜，所述第一电动反射镜定位成接收和传输入射光束；

第二电动反射镜，所述第二电动反射镜相对于第一反射镜定位以接收来自第一反射镜的入射光束，并且将所述入射光束传输到所述延迟线的后向反射器，所述第二反射镜的位置远离所述延迟线并且在所述延迟线之前；

第三反射镜，所述第三反射镜定位成接收来自所述延迟线的后向反射器的出射光束，并且将所述出射光束传输到检测器；和

基于计算机的处理器，所述基于计算机的处理器与所述检测器、所述延迟线以及所述第一反射镜和第二反射镜通信，所述处理器配置为：

a)接收和处理与来自所述检测器的出射光束相关的数据，和

b)基于与所述出射光束在所述检测器上的位置有关的数据，使所述第一反射镜和第二反射镜移动从而以设定角度定位所述第一反射镜和第二反射镜，使所述入射光束和所述出射光束沿着轨迹对准，使得所述入射光束平行于所述延迟线的平移轴进入所述延迟线，并且所述出射光束在预对准过程期间随着所述延迟线的位置发生改变而在所述检测器上基本上不偏移；

所述处理器配置为在测量过程之前的预对准过程期间仅执行步骤a)和b)。

2.一种用于在进行泵浦-探测测量程序之前在泵浦-探测光谱测量装置中预对准光束的方法，

所述泵浦-探测光谱测量装置包括对准系统，所述对准系统包括光学部件，所述光学部件包括用于将光束传输到沿着轨迹可移动的可调光延迟线的第一电动反射镜和第二电动反射镜，位置敏感检测器，和基于计算机的处理器；

用于预对准光束的方法包括：

1)将所述光延迟线沿着靠近所述第二反射镜的轨道移动到第一位置，将所述第一反射镜旋转到第一位置，使得传导到所述第一反射镜和第二反射镜并且通过延迟线到达所述检测器的光束入射到所述检测器上的设定位置，并且将所述检测器上的第一光束位置和所述第一反射镜的第一位置的数据发送到所述基于计算机的处理器；和

2)将所述光延迟线沿着远离所述第二反射镜的轨道移动到第二位置，将所述第二反射镜旋转到第一位置，使得传导到所述第一反射镜和第二反射镜并且通过反射镜延迟线到达所述检测器的光束入射到所述检测器上的设定位置，并且将所述检测器上的第一光束位置和所述第一反射镜的第一位置的数据发送到所述基于计算机的处理器；

3)将所述光延迟线沿着轨道移动回到第一位置；

4)确定所述检测器上的光束的所述第一位置和第二位置之间的差异，并且将所述差异与预定的允许偏差进行比较；和

5)如果所述差异大于预定的允许偏差，则重复步骤1至4；

其中在预对准步骤之后和泵浦-探测测量方法的整个过程中，随着所述延迟线沿着轨道移动而入射束从所述第一反射镜和第二反射镜传输进入平行于平移轴延迟线的平移轴和从所述延迟线的出射光束的轨迹都得到保持，而没有监测所述检测器上的出射光束，没有通过所述基于计算机的处理器的反馈回路进行主动光束稳定，并且没有改变所述第一电动反射镜和/或第二电动反射镜的角度。

3.一种用于在进行泵浦-探测测量程序之前在泵浦-探测光谱测量装置中预对准光束的方法，

所述泵浦-探测光谱测量装置包括对准系统，所述对准系统包括光学部件，所述光学部件包括用于将光束传输到电动的可调光延迟线的第一电动反射镜和第二电动反射镜，所述可调光延迟线包括后向反射器并且可沿着平移轴沿着轨道移动，位置敏感检测器，用于将从所述延迟线输出的光束传输到所述检测器的第三反射镜，以及与所述检测器、所述延迟线和所述第一反射镜和第二反射镜通信的基于计算机的处理器；

用于对准光束的方法包括：

将光束从所述第一反射镜传输到所述第二反射镜并且通过所述延迟线传输到所述检测器，并且通过与所述检测器、所述延迟线和所述第一反射镜和第二反射镜通信的基于计算机的处理器记录出射光束在所述检测器上的位置；和

在所述延迟线沿着轨道的不同位置处调整所述第一反射镜和第二反射镜的角度，以将所述出射光束发送到所述检测器上的设定位置；

其中在预对准步骤之后和泵浦-探测测量方法的整个过程中，随着所述延迟线沿着轨道移动，入射束从所述第一反射镜和第二反射镜传输进入平行于平移轴延迟线的平移轴和从所述延迟线的出射光束的轨迹得到保持，而没有监测所述检测器上的出射光束，没有通过所述基于计算机的处理器的反馈回路进行主动光束稳定，并且没有改变所述第一电动反射镜和/或第二电动反射镜的角度。

4.项3所述的方法，其包括

在改变所述第一反射镜的角度并且在改变所述第二反射镜的角度之后，在所述基于计算机的处理器上记录所述光束在所述检测器上的位置；

将所述延迟线移动到第二位置和第三位置，并且在所述延迟线的第二和第三位置中的各位置处，在改变所述第一反射镜的角度之后并且在改变所述第二反射镜的角度之后由所述基于计算机的处理器记录光束在所述检测器上的位置；

由所述基于计算机的处理器处理所述检测器上的光束位置变化以对应将所述第一反射镜和第二反射镜的角度随着所述延迟线的位置的变化；和

调整所述第一反射镜和第二反射镜的角度以将光束发送到所述检测器上的设定位置。

5.项4所述的方法，其中所述第一反射镜和/或第二反射镜的角度沿着垂直轴和水平轴中的至少之一改变，并且沿着所述垂直轴和所述水平轴记录每个角度的所述检测器上的光束位置。

6.项5所述的方法，其中所述第一反射镜和/或第二反射镜的角度沿着垂直轴和水平轴两者都改变。

7.项2所述的方法，其进一步包括确定所述对准系统的光学部件之间的距离，并且使用所述距离来预先计算转向反射镜的角度，以将光束置于对于所述延迟线沿着轨道的任何给定位置的所述检测器上的特定点处。

8.项4所述的方法，包括：

a)在所述延迟线处于第一位置并且所述第一反射镜和第二反射镜各自都以第一角度设置时，通过所述第一反射镜和第二反射镜将光束传导到所述延迟线，使得从所述延迟线输出的光束通过第三反射镜传送到所述检测器；

b)将所述检测器上的第一光束位置传输到所述基于计算机的处理器；

c)通过以下步骤确定所述第一反射镜和第二反射镜的角度如何改变在所述延迟线的第一位置处所述检测器上的光束位置：

(1)沿着垂直轴以第一角度移动所述第一反射镜或第二反射镜以将光束传输到所述检测器，记录所述检测器上的光束位置，并且将所述光束位置传输到所述基于计算机的处理器；

(2)沿着水平轴以第二角度移动步骤(c)(1)的反射镜以将光束传输到所述检测器，记录所述检测器上的光束位置，并且将所述光束位置传输到所述基于计算机的处理器；和

(3)对于所述第一反射镜和第二反射镜中的另一个进行重复步骤(c)(1)和(d)(2)；

d)通过以下步骤确定所述第一反射镜和第二反射镜的角度如何改变在所述延迟线的第二位置处所述检测器上的光束位置：

(1)将所述延迟线移到第二位置；和

(2)沿着垂直轴以第一角度移动所述第一反射镜或第二反射镜以将光束传输到所述检测器，记录所述检测器上的光束位置，并且将所述光束位置传输到所述基于计算机的处理器；

(3)沿着水平轴以第二角度移动步骤(d)(2)的反射镜以将光束传输到所述检测器，记录所述检测器上的光束位置，并且将所述光束位置传输到所述基于计算机的处理器；和

(4)对于所述第一反射镜和第二反射镜中的另一个进行重复步骤(d)(2)和(d)(3)；

e)处理所述基于计算机的处理器上的所述检测器上的光束位置变化以对应于所述延迟线的位置处的所述第一反射镜和第二反射镜的角度变化以预先计算所述第一反射镜和第二反射镜的角度，从而将光束置于对于沿着轨道的延迟线的任何给定位置处的所述检测器的特定点上；和

f)调整所述第一反射镜和第二反射镜的角度以将光束发送到所述检测器上的设定位置。

9.项3所述的方法，其中所述基于计算机的处理器配置为：

1)接收和处理与来自所述检测器的出射光束有关的数据，和

2)基于与来自所述检测器的出射光束相关的数据使所述第一反射镜和第二反射镜移动，从而以设定角度定位所述第一反射镜和第二反射镜；和

3)使延迟台移动到设定位置。

附图说明

图1是常规泵浦探测装置的实施方式的描述。

图2是通过主动光束稳定将光束与延迟线对准的常规系统另一实施方式的描述。

图3是根据本发明的光束对准系统的实施方式的描述。

图4是用于确定测量系统的几何模型的校准过程的实施方式的描述。

图5是对于测量系统的延迟线和反射镜的对准过程的实施方式的描述。

具体实施方式

本发明的各种实施方式涉及对准光延迟线以在泵浦-探测测量过程中保持延迟线之后的初始探测光束指向的方法。

图3示出根据本发明的用于对准光束的系统50的实施方式，将所述用于对准光束的系统50并入到泵浦-探测测量系统中。

如所示的，泵浦探测系统50包括产生激光束54的激光源52和将激光束54分成泵浦脉冲束58和探测脉冲束60的半透明分束器(反射镜)56。两个光束沿着不同的光路引导至样品62，光束58、60在空间上重叠于样品62中。泵浦脉冲束58经由一系列反射镜(例如，M'、M”)引导至样品62，并且探测脉冲束60经由一系列反射镜(例如，66a、66b、66c)引导至光延迟线64。在一些实施方式中，泵浦脉冲束和探测脉冲束可以互换。例如，泵浦脉冲束可以通过反射镜66a、66b、66c引导至光延迟线，并且探测脉冲束可以引导至样品(例如，经由反射镜M'、M”)。

光延迟线64包括安装在计算机控制的电动线性平移台68上的光学后向反射器组件70，光学后向反射器组件70沿着轨道(箭头

本发明的对准系统50如下提供输出探测脉冲波束60b的预对准：保持输入探测束60a在其进入延迟线64之前的适当对准以确保输入光束60a平行于延迟线的平移轴76进入延迟线。在完成预对准步骤并且开始测量过程时，延迟线的后向反射器出射的光束轨迹得到保持，而不需要检测光束或进行主动光束稳定以改变反射镜角度或输入和输出光束进入或离开延迟线的轨迹。

在图3所示的对准系统50的实施方式中，输入的探测脉冲束60a通过分束器(反射镜)56引导到可变(电动)光延迟线64中以到达反射镜66a，反射镜66a指引光束60a到两个计算机控制的电动转向反射镜66b、66c。

作为对准系统50的一部分，分束器(反射镜)78位于输出探测脉冲束60b的路径中。分束器78将输出的探测脉冲束60b分离成光束60c，并且将光束60c引导至计算机接口的位置敏感检测器80(例如，激光束分析仪)。位置敏感检测器的实例包括例如2D照相机、网络摄像机、四象限光电检测器或其它检测装置。检测器上的光束60c的位置记录为对应于出射光束60b轨迹并且在离开光延迟线64之后指向的数据点。位置敏感检测器80连接到与两个电动转向反射镜66b、66c连接的计算机(或其它微处理器)82，该电动转向反射镜66b、66c将输入探测脉冲束60a转向到光延迟线64中。

本发明的对准系统利用基于软件的方法，以将输入探测光束预对准到延迟线沿着轨道不同位置处的光延迟线64中，同时保持延迟线后的输出探测光束恒定、不变的轨迹(指向)。

参考图3所示的系统，在根据本发明的对准方法的实施方式中，延迟线(即，平移台68)首先设置在沿着轨道的任何位置处，并且输入探测光束60a通过移动反射镜66b将光束引导到反射镜66c并且进入延迟线而引导到光延迟线64中。从反射镜70b射出延迟线的输出探测光束60b然后通过分束器(反射镜)78截留和分开，该分束器将光束60c引导到位置敏感检测器80。将检测器80上的光束60c的位置传输到计算机82。

在对准方法的实施方式中，在第一步骤(步骤1)中，平移台68移动到第一位置，该第一位置是轨道上相对于反射镜66c最近的位置。然后将反射镜66b旋转到将光束60a引导至反射镜66c并且进入延迟线的位置，使得光束60c的定位(位置)位于检测器80上的点B处(如图5所示)。

在第二步骤(步骤2)中，延迟线64(即平移台68)沿着轨道平移(移动)到第二位置，该第二位置是轨道上相距反射镜66c最远的位置。作为延迟线沿着轨道的这种平移和重新定位的结果，光束60c在检测器80上的位置发生改变。然后将反射镜66c旋转到将光束60a(来自反射镜66b)引导到延迟线中的位置，使得光束60c的位置在检测器80上的点A处。

根据需要，重复将延迟线从反射镜66c移动到最近和最远的点并且旋转转向反射镜66b、66c的步骤1和2，以减少例如由沿着轨道在可接受的偏差或误差范围内重新定位平移台68引起检测器80上光束60c的位移，使得检测器上光束60c的位置之间的差异变化不超过20微米。上述步骤的完成通过延迟线沿着轨道的各个位置处的延迟线64实现光束60a的对准。

根据本发明方法的实施方式，预对准步骤和过程将每个转向反射镜66b、66c设置在设定位置，由此在随后的测量程序过程中，在没有进一步对准转向反射镜66b、66c的情况下，不管延迟线沿着轨道的位置如何，进入延迟线64的入射光束60a的轨迹都保持平行于延迟线64的平移轴76，并且来自延迟线64的出射光束60b的轨迹保持基本上不变，使得所述轨迹不偏离可接受的偏差/误差范围，例如不超过20微米。

调整泵浦-探测光谱仪的总体目标是定位光束(例如，出射光束60b、图3)，使得光束穿过点A和B作为期望的光轴，如图5所示。点A和B对应于检测器80上的相同位置，这意味着随着延迟线64沿着轨道的位置改变，光束在检测器上不偏移。

例如，在其中转向反射镜(66b、66c)和延迟线64未对准的设置中，光束(例如，出射光束60b、图3)可以沿着不是所需光轴(A-B)的轨迹，例如图5所示的轨迹C-D-E-F行进。然后，在本发明的预对准方法的实施方式中，在第一步骤(1)中，基于计算机的处理器(软件)发信号指令平移台68移动到第一位置(例如，相距反射镜M1最远，例如66c)并且发信号指令反射镜M1(例如66c)旋转以将来自点D(反射镜M1、66c)的光束发送到检测器80上的点A处。在第二步骤(2)中，基于计算机的处理器(软件)发信号指令平移台68移动到第二位置(最靠近反射镜M1，例如66c)。然而，通过移动平移台68，光束现将在检测器80上从点A偏移一定距离。因此，在步骤(2)中，基于计算机的处理器(软件)发信号指令反射镜M2(例如66b)将从反射镜M1反射的点C(反射镜M2、66b)的光束发送到检测器80上的点B处。然后可以重复步骤1和2以实现指向检测器80的光束的期望精度。在步骤1和2的几次重复之后，由移动平移台68引起检测器80上的光束位移将变得可接受地小(在测量误差内，等)，并且入射光束60a将通过延迟台70对准，使得出射光束60b的指向和轨迹在沿着轨道的平移台68平移(移动)的整个范围内不改变，从而消除在随后测量过程期间重新调整光束对准的需要。

在另一实施方式中，对准方法包括首先确定在进行延迟线对准之前建立的系统的几何模型。这允许最小化对准时间和快速收敛算法。为了设计系统建立的几何模型，确定光学元件(即，反射镜等)之间的近似距离并且进行记录(例如，输入到软件中)。例如，在图3所示的系统的实施方式中，可以测量和记录以下部件之间的距离：光束60在转向反射镜66b、66c之间行进的距离，以及对于延迟线64的给定位置的反射镜66c和检测器70之间的距离。知道这些距离将允许软件预先计算与转向反射镜的角度有关的三角形B-A-M、B

在下一步骤中，延迟线(即，平移台68)设置在第一位置，两个电动转向反射镜66b、66c定位在设定角度处，并且输入探测光束60a经由反射镜66b、66c转向进入光延迟线64。从延迟线出射的输出探测光束60b然后通过分束器(反射镜)78截留并且分离，该分束器(反射镜)78将光束60c引导到位置敏感检测器80。检测器80上光束60c的位置传输到基于计算机的处理器82。然后反射镜66b移动和沿着垂直轴以计算的角度(如下所述)重新定位。由检测器80记录相应的光束位置偏移，并且将位置数据传送到计算机。然后反射镜66b移动和沿着水平轴以计算的角度重新定位。由检测器80记录相应的光束位置偏移，并且将位置数据传送到计算机。然后对反射镜66c进行同样的操作。延迟线(即，平移台68)随后沿着轨道平移(移动)到第二位置，并且重新重复如下步骤：沿着反射镜66b、66c的垂直轴和水平轴以不同的计算角度重新定位反射镜66b、66c，以及检测和记录检测器上出射(分离)光束60c的位置。因此，检测器60上的输出(分离)光束60c位置的多个数据点通过基于计算机的处理器获取和记录。

然后通过处理所获得的数据点(例如，通过计算机82)来确定泵浦-探测装置建立的几何模型(例如，如图4所示)。模型数据进行保存并且用于计算转向反射镜66b、66c的期望角度调整(即，计算的角度)，以确保正确的光束指向(轨迹)和入射光束通过延迟线的对准。通过计算机(例如软件)如下验证转向反射镜66b、66c计算的角度：在轨道长度上平移延迟线64，并且记录输出(分离)光束60c在位置敏感检测器80上的位置。如果检测器上测得的光束位移仍然过大，则该过程可以进行额外迭代，直到实现期望光束位移。

本发明的对准系统和方法提供将输入探测光束用光延迟线的后向反射器进行正确对准，导致来自延迟线的输出探测脉冲束的预定指向(轨迹)在整个泵浦-探测测量过程中保持不变，而在测量过程中不进一步对准来自延迟线的输入或输出光束。这确保泵浦脉冲束和探测脉冲束在样品中的正确空间重叠和样品的准确数据测量。

在预对准过程之后，不需要例如通过基于计算机的处理器的反馈回路进行主动光束稳定以保持在泵浦-探测测量过程中入射光束和出射光束进出出射光束的后向反射器的轨迹。本发明的预对准过程步骤调整第一反射镜和第二反射镜的位置以将入射激光束用后向反射器对准，使得在测量过程中延迟线沿着轨道移动的整个不同位置处，入射光束的轨迹保持平行于延迟线的平移轴，以使在测量过程中来自延迟线的输出光束轨迹保持不变，而无需主动光束稳定过程。

图4示出每个电动转向反射镜66b、66c(图3中所示)的校准原理，即，根据本发明的实施方式确定(计算)包含对准元件的泵浦-探测系统的几何模型。在实施方式中，可以计算对准系统的几何模型，以确定将光束置于对于任何给定延迟线轨道位置的检测器80上任何特定点处所需的转向反射镜(66b、66c)的角度。

后向反射器70在光延迟线64上的位置规定了光必须在反射镜M(66b或66c)与位置敏感检测器80之间行进的距离。因此，通过移动延迟线，位置敏感检测器80的平面有效地定位成更接近或更远离镜M(66b或66c)，如图4所示。

保持静止的位置敏感检测器80位于平面AB或平面CD内，这取决于延迟线64的位置，延迟线64沿着轨道(箭头

在本发明方法的实施方式中，如上所述，通过获取和记录检测器80上出射(分离光束60c)位置的多个数据点进行用于确定泵浦-探测系统50(图3)的几何模型的校准。简言之，在延迟线/平移台68处于第一位置的情况下，光束60a经由定位在设定角度的反射镜66b、66c引导到延迟线中，出射光束60b分成光束60c，并且将检测器80上光束(60c)的位置发送到处理器。然后反射镜66b的角度沿着反射镜66b的垂直轴重新定位，并且将检测器80上光束(60c)的位置偏移发送到处理器80。然后反射镜66b的角度沿着反射镜66b的水平轴重新定位，并且将检测器80上的光束(60c)的位置偏移传输到处理器80。然后进行反射镜66c沿着反射镜66c的垂直轴和水平轴的相同重新定位以及检测器上光束位置的传送。延迟线/平移台68然后移动到轨道上的第二位置，并且重复如下步骤：沿着反射镜66b、66c的垂直轴和水平轴重新定位反射镜66b、66c，并且记录光束(60c)在检测器上的位置。然后使用该校准来建立反射镜M(66b、66c)的旋转角度(角度A-M-B)与平面AB或平面CD内检测器80上激光束的位移之间的关系，这取决于延迟线64的位置。一旦建立该关系，软件可以预测在预对准过程期间反射镜(66b、66c)需要转动多大的角度，以使得光束在延迟线64沿着轨道移动的整个范围内入射到检测器80上的特定点，即，光束必须从正在转动的反射镜(66b、66c)行进到检测器80的变化距离。

在本发明对准方法的实施方式中，一旦进行上述校准过程并且确定泵浦-探测系统50(包含对准元件)的几何模型(例如，通过确定转向反射镜的角度以将光束置于延迟线在轨道上的任何给定位置处检测器上的特定点)，然后进行预对准过程。

如上面讨论的，对准泵浦-探测光谱仪的总目标是定位光束(例如，出射光束60b，图3)，使得光束穿过点A和B作为期望的光轴，如图5所述。点A和B对应于检测器80上的相同位置，这意味着随着延迟线64沿着轨道的位置改变，光束在检测器上不偏移。

例如和再次参考图5，在其中转向反射镜(66b、66c)和延迟线64未对准的设置中，光束(例如，出射光束60b，图3)可以沿着不是期望光轴(A-B)的轨迹、例如轨迹C-D-E-F行进。在完成反射镜M1和M2(66b、66c)的校准过程之后，已经确定为使光束同时击中两对点A和B或E和F中的任一对点这些反射镜中每一个必须转动的计算角度。

因此，在一个实施方式中，在对准过程的第一步骤(1)中，计算机发信号指令延迟台移动到远离反射镜M1轨道的末端(例如，66c)。在第二步骤(2)中，基于计算机的处理器(软件)向反射镜M1发信号以转向计算的角度，以将来自点D(反射镜M1，66c)的光束发送到检测器80上的点A处。在第三步骤(3)中，基于计算机的处理器(软件)发信号指令延迟台移动靠近反射镜M1。在第四步骤(4)中，基于计算机的处理器(软件)发信号指令反射镜M2(例如，66b)转向计算的角度，以将从反射镜M1(例如，66c)反射的点C(反射镜M2，66b)的光束发送到检测器80上的B点。然而，通过移动反射镜M2，光束现将在检测器80上从点A偏移一定距离。然后可以重复步骤1至4，以获得指向检测器80的光束的期望精度。在步骤(1)到(4)的几次这样的重复之后，由移动平移台68引起检测器80上的光束位移将变得可接受地小(在允许的偏差、测量误差内等)并且入射光束60a将通过延迟台70对准，使得出射光束60b的指向和轨迹在平移台68沿着轨道的整个平移(移动)范围内不改变，因此消除在随后测量过程期间重新调整光束对准的需要。

在根据本发明的预对准过程的另一实施方式中，基于建立的几何模型(如上所述)，计算机(软件)可以预先计算反射镜M1(例如，66c)应当旋转的角度(即，计算的角度)以使超射过检测器80上的点A，从而补偿反射镜M2(例如，66b)的后续旋转。在这种实施方式中，在第一步骤(1)中，计算机(软件)发信号以将反射镜M1(例如，66c)旋转到计算的角度，使得光束超射过检测器80上的点A刚好足以补偿反射镜M2(例如，66b)的随后旋转。在第二步骤中，计算机(软件)发信号指令反射镜M2(例如，66b)以转向计算的角度，该角度将光束指向M1(例如，66c)，然后精确地指向检测器80上的A点。由于反射镜M1(例如，66c)在步骤一(1)中放置在正确位置，然后光束将准确地通过点B和A。为了补偿与反射镜旋转精度等有关的仪器误差，可以根据需要重复步骤1和2，以实现在检测器80上的光束指向的期望精度。

在其它实施方式中，可以利用反射镜旋转的替代顺序，并且在预对准步骤期间可以在必要时使用检测器反馈。

应该理解的是，本发明意在涵盖许多实施方式。例如，在实施方式中，本发明涉及用于在光谱测量装置中对准光束的系统，所述对准系统包括：第一电动反射镜，所述第一电动反射镜定位成接收和发送光束；第二电动反射镜，所述第二电动反射镜相对于第一反射镜定位以接收来自第一反射镜的光束并且将光束传输到延迟线；第三反射镜，所述第三反射镜定位成接收来自延迟线的光束并且将所述光束传输到检测器；和基于计算机的处理器，所述基于计算机的处理器与检测器和第一反射镜和第二反射镜通信，所述处理器配置为：a)接收并且处理与来自检测器的光束有关的数据，和b)基于与光束相关的数据使第一反射镜和第二反射镜移动以改变第一反射镜和第二反射镜的角度。

本发明的对准系统提供在测量过程开始之前进行光束的预对准，使得当延迟线在测量过程中沿着轨道平移时从延伸线的后向反射器射出的光束轨迹得到保持，而不需要监测或检测光束或主动光束稳定以改变反射镜角度或入射和出射光束进入或离开延迟线的轨迹。根据本发明实施方式的光束的预对准在测量过程中保持光束的适当对准，使得当延迟线沿着轨道移动到不同位置时，光束进入平行于延迟线平行轴的延迟线。

在一种实施方式中，本发明提供用于在泵浦-探测光谱测量装置中预对准光束的系统，所述对准系统包括：电动的可调光延迟线，所述电动的可调光延迟线包括后向反射器并且可沿着平移轴沿着轨道移动；位置敏感检测器；第一电动反射镜，所述第一电动反射镜定位成接收和传输入射光束；第二电动反射镜，所述第二电动反射镜相对于第一反射镜定位以接收来自第一反射镜的入射光束，并且将入射光束传输到延迟线的后向反射器，第二反射镜的位置远离延迟线并且在延迟线之前；第三反射镜，所述第三反射镜定位成接收来自延迟线的后向反射器的出射光束，并且将所述出射光束传输到检测器；和基于计算机的处理器，所述基于计算机的处理器与检测器、延迟线以及第一反射镜和第二反射镜通信，所述处理器配置为：a)接收和处理与来自检测器的出射光束有关的数据，和b)使所述第一反射镜和第二反射镜移动，以基于与来自检测器的出射光束有关的数据以设定角度定位反射镜，以使入射光束和出射光束沿着轨迹对准，使得入射光束平行于延迟线的平移轴进入延迟线，并且随着延迟线的位置改变，出射光束在检测器上基本上不偏移；处理器配置为在测量过程之前的预对准过程期间仅执行步骤a)和b)。

在一种实施方式中，本发明涉及用于在进行泵浦-探测测量过程之前在泵浦-探测光谱测量装置中预对准光束的方法，所述泵浦-探测光谱测量装置包括对准系统，所述对准系统包括光学部件，所述光学部件包括用于将光束传输到沿着轨迹可移动的可调光延迟线的第一电动反射镜和第二电动反射镜，位置敏感检测器，和基于计算机的处理器；用于预对准光束的方法包括：1)将光延迟线沿着轨道移动到第一位置，将第一反射镜旋转到第一位置，将光束传送到所述第一反射镜和第二反射镜并且通过延迟线传送到检测器，将光束在检测器上的第一位置和在第一反射镜的第一位置的数据传输到基于计算机的处理器；2)将光延迟线沿着远离第二反射镜的轨道移动到第二位置，将第二反射镜旋转到第一位置，使得传导到所述第一反射镜和第二反射镜并且通过延迟线到达检测器的光束入射到检测器上的设定位置，将光束在检测器上的第一位置和在第一反射镜的第一位置的数据传输到基于计算机的处理器；3)将光延迟线沿着轨道移动回到第一位置；4)确定检测器上第一光束位置和第二位置之间的差异，并将所述差异与预定的允许偏差进行比较；和5)如果所述差异大于预先确定的允许偏差，则重复步骤1至4；其中在预对准步骤之后和泵浦-探测测量方法的整个过程中，随着所述延迟线沿着轨道移动而入射束从所述第一反射镜和第二反射镜传输进入平行于平移轴延迟线的平移轴和从所述延迟线的出射光束的轨迹都得到保持，而没有监测所述检测器上的出射光束，没有通过所述基于计算机的处理器的反馈回路进行主动光束稳定，并且没有改变所述第一电动反射镜和/或第二电动反射镜的角度。

在另一实施方式中，本发明涉及在光谱测量装置中预对准光束的方法，所述方法包括：

a)任选地，确定对准系统的光学部件之间的距离，所述光学部件包括用于将光束传输到延迟线的第一电动反射镜和第二电动反射镜，检测器，以及用于将光束传输到检测器的第三反射镜；

b)在延迟线处于第一位置并且所述第一反射镜和第二反射镜中的每一个都设置为第一角度的情况下，通过所述第一反射镜和第二反射镜将光束传导至延迟线，使得通过第三反射镜将离开延迟线的光束传输到检测器；

c)将检测器上的第一光束位置传输到基于计算机的处理器；

d)建立第一反射镜的角度与检测器上的光束位置之间的关系；

e)建立第二反射镜的角度与探测器上光束位置之间的关系；和

f)建立延迟线的位置与检测器上的光束位置之间的关系。

在一种实施方式中，该方法进一步包括通过记录在延迟线的不同位置处检测器上的光束位置来验证光束的光束对准。

在一种实施方式中，在步骤f)之后，该方法还包括步骤g)：确定检测器上的光束位置如何取决于所述第一反射镜和第二反射镜的角度以及延迟线的位置。

在一种实施方式中，步骤g)包括确定检测器(80)上的光束位置(60b)如何取决于所述第一反射镜和第二反射镜(M1，例如66c；和M2，例如66b)和延迟线(64)的位置。在一种实施方式中，确定这种关系包括计算如图4所示三角形C-D-M的所有边和角度。在一种实施方式中，可以通过测量检测器80与反射镜M(例如，66b或66c)之间的距离C-M(例如，使用标尺)来进行计算。延迟线64移动距离F-D将导致检测器80上的光束60b移位距离B-F。角度B-F-D是已知的(例如，90°)，这允许计算与角度C-M-D相同的角度F-D-B。角度D-C-M是已知的(例如，90°)，这允许计算三角形C-D-M的所有边和角度。

在另一实施方式中，确定探测器80上的光束位置与反射镜(例如，66b、66c)角度和延迟线64位置的关系的步骤g)可以通过将光束60b从反射镜M(例如，66b或66c)指向检测器80的点D来进行。延迟线64然后可以移动距离D-F以将检测器80从平面C-D平移到平面A-B并且记录光束偏移距离B-F。然后，可以旋转反射镜M以将光束60b发送到检测器80上的点B1并且记录光束位置B-B1。然后，可以移回延迟线64以使检测器80回到平面C-D并且记录光束偏移距离B1-F1。角度B-F-D和B1-F1-D1是已知的(例如，90°)，这允许计算三角形B-D-F和B1-D1-F1的所有边和角度。该计算然后允许计算三角形D-D1-M的所有边和角度。已知距离D1-M、角度D1-C-M(例如，90°)和角度C-D1-M(例如，180°减去D-D1-M)，可以计算出三角形D1-C-M的所有边和角度。现在，已知三角形D-D1-M和D1-C-M的所有边和角度，可以容易地计算出三角形C-D-M的所有边和角度。可以使用其它计算三角形C-D-M的所有边和角度的方法。

在一种实施方式中，在步骤g)之后，该方法进一步包括步骤h):调整所述第一反射镜和第二反射镜的角度以将光束传输到检测器上的期望位置。

在一种实施方式中，建立所述第一反射镜和第二反射镜的角度与光束在检测器上的位置之间的关系的步骤d)和e)包括：

(1)沿着垂直轴以第一角度移动第一反射镜或第二反射镜以将光束传输到检测器，记录检测器上的光束位置，并且将所述光束位置传输到基于计算机的处理器；

(2)沿着水平轴以第二角度移动步骤(1)的反射镜以将光束传输到检测器，记录检测器上的光束位置，并且将所述光束位置发射到基于计算机的处理器；和

(3)对于所述第一反射镜和第二反射镜中的另一个进行重复步骤(1)和(2)。

在一种实施方式中，在延迟线的位置和检测器上的光束位置之间建立关系的步骤f)包括：

(1)将延迟线移至第二位置；和

(2)沿着垂直轴以第一角度移动第一反射镜或第二反射镜以将光束传输到检测器，记录检测器上的光束位置，并且将所述光束位置传输到基于计算机的处理器；

(3)沿着水平轴以第二角度移动步骤(2)的反射镜以将光束传输到检测器，记录检测器上的光束位置，并且将所述光束位置传输到基于计算机的处理器；和

(4)对于所述第一反射镜和第二反射镜中的另一个进行重复步骤(2)和(3)。

在一种实施方式中，在步骤(4)之后，该方法进一步包括步骤(5)：将延迟线移动到第三位置并且重复步骤(2)到(4)。

在一种实施方式中，在步骤(5)之后，该方法进一步包括：

(6)确定检测器上的光束位置如何取决于所述第一反射镜和第二反射镜的角度以及延迟线的位置。

在一种实施方式中，在延迟线的位置和检测器上的光束位置之间建立关系的步骤f)包括：

(1)将延迟线移至第二位置，和

a)沿着垂直轴以第一角度移动第一反射镜以将光束传输到检测器，记录检测器上的光束位置，并且将所述光束位置传输到基于计算机的处理器；

b)沿着水平轴以第二角度移动第一反射镜以将光束传输到检测器，记录检测器上的光束位置，并且将所述光束位置传输到基于计算机的处理器；

c)沿着垂直轴以第一角度移动第二反射镜以将光束传输到检测器，记录检测器上的光束位置，并且将所述光束位置传输到基于计算机的处理器；

d)沿着水平轴以第二角度移动第二反射镜以将光束传输到检测器，记录检测器上的光束位置，并且将所述光束位置传输到基于计算机的处理器；

(2)将延迟线移动到第三位置并且重复步骤(1a)到(1d)；和

(3)确定检测器上的光束位置如何取决于所述第一反射镜和第二反射镜的角度以及延迟线的位置。

在另一实施方式中，本发明涉及用于在光谱测量装置中对准光束的方法，所述方法包括：

a)任选地，确定对准系统的光学部件之间的距离，所述光学部件包括用于将光束传输到延迟线的第一电动反射镜和第二电动反射镜，检测器，以及用于将光束传输到检测器的第三反射镜；

b)在延迟线处于第一位置并且所述第一反射镜和第二反射镜中的每一个都设置为第一角度的情况下，通过所述第一反射镜和第二反射镜将光束传导至延迟线，使得通过第三反射镜将离开延迟线的光束传输到检测器；

c)将检测器上的第一光束位置传输到基于计算机的处理器；

d)建立第一反射镜的角度与检测器上的光束位置之间的关系：

(1)沿着垂直轴以第一角度移动第一反射镜；

(2)记录检测器上的第二光束位置并且将所述第二光束位置发送到基于计算机的处理器；

(3)沿着水平轴以第二角度移动第一反射镜；和

(4)记录检测器上的第三光束位置并且将所述第三光束位置传送到基于计算机的处理器；

e)建立第二反射镜的角度与检测器上的光束位置之间的关系：

(1)沿着垂直轴以第一角度移动第二反射镜；

(2)记录检测器上的第四光束位置并且将所述第四光束位置传送到基于计算机的处理器；

(3)沿着水平轴以第二角度移动第二反射镜；和

(4)记录检测器上的第五光束位置并且将所述第五光束位置传送到基于计算机的处理器；

f)建立延迟线的位置与检测器上的光束位置之间的关系：

(1)将延迟线移至第二位置；和

(1a)沿着垂直轴以第一角度移动第一反射镜；

(1b)记录检测器上的第六光束位置并且将所述第六光束位置传送到基于计算机的处理器；

(1c)沿着水平轴以第二角度移动第一反射镜；和

(1d)记录检测器上的第七光束位置并且将所述第七光束位置传送到基于计算机的处理器；

(1e)沿着垂直轴以第一角度移动第二反射镜；

(1f)记录检测器上的第八光束位置并且将所述第八光束位置传送到基于计算机的处理器；

(1g)沿着水平轴以第二角度移动第二反射镜；和

(1h)记录检测器上的第九光束位置并且将所述第九光束位置传送到基于计算机的处理器；和

(2)将延迟线移动至第三位置并且重复步骤(1a)至(1h)；

g)处理检测器上的光束位置变化以对应所述第一反射镜和第二反射镜的角度随着延迟线位置的变化；和

h)调整所述第一反射镜和第二反射镜的角度以将光束发送到检测器上的期望位置。

在另一实施方式中，本发明涉及用于在光谱测量装置中对准光束的方法，该装置包括对准系统，所述方法包括：

任选地，确定对准系统的光学部件之间的距离，所述光学部件包括第一电动反射镜和第二电动反射镜、第三反射镜和检测器；

将光束从第一反射镜传输到第二反射镜，然后通过位于第一位置的延迟线传输到检测器，并且记录检测器上的光束位置；

在改变第一反射镜的角度之后并且在改变第二反射镜的角度之后记录检测器上的光束位置；

将延迟线移动到第二位置和第三位置，并且在延迟线的第二位置和第三位置的各位置处，在改变第一反射镜的角度之后并且在改变第二反射镜的角度之后记录检测器上的光束位置；

处理检测器上的光束位置变化以对应所述第一反射镜和第二反射镜的角度随着延迟线位置的变化；和

调整所述第一反射镜和第二反射镜的角度以将光束发送到检测器上的期望位置。

在该方法的实施方式中，沿着垂直轴和水平轴中至少之一改变反射镜的角度，并且沿着所述垂直轴和所述水平轴记录各角度的光束位置。在一种实施方式中，反射镜的角度沿着垂直轴和水平轴两者都发生改变。

在另一实施方式中，本发明涉及用于在光谱测量装置中对准光束的方法，该装置包括对准系统，并且所述方法包括：

任选地，确定对准系统的光学部件之间的距离，所述光学部件包括第一电动反射镜和第二电动反射镜、第三反射镜和检测器；

将光束从第一反射镜传输到第二反射镜，然后通过位于第一位置的延迟线传输到检测器，并且记录检测器上的光束位置；

在改变第一反射镜的角度之后记录检测器上的光束位置；

在改变第二反射镜的角度之后记录检测器上的光束位置；

将延迟线移动到第二位置，并且在改变第一反射镜的角度之后并且在改变第二反射镜的角度之后记录检测器上的光束位置；

将延迟线移动到第三位置，并且在改变第一反射镜的角度之后并且在改变第二反射镜的角度之后记录检测器上的光束位置；

处理检测器上的光束位置变化以对应所述第一反射镜和第二反射镜的角度随着延迟线位置的变化；和

调整所述第一反射镜和第二反射镜的角度以将光束发送到检测器上的期望位置。

在该方法的一种实施方式中，沿着垂直轴和水平轴中至少之一改变反射镜的角度，并且沿着所述垂直轴和所述水平轴记录各角度的光束位置。

具体而言，本发明意在不限于本文中包含的实施方式和说明，而是包括这些实施方式的修改形式，包括实施方式的部分和不同实施方式的要素组合，其都符合以下权利要求的范围。