专利名称：四波混频技术的像点对光法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种四波混频技术的像点对光法。
背景技术：
四波混频作为一项高灵敏度的光谱技术已在对痕迹量原子、分子和自由基 的探测方面取得了很大的成功。四波混频光谱技术和其他光谱技术相比的优越 性在于(1)简并四波混频(DF丽)光谱技术具有亚多普勒的光谱分辨、好的 时间分辨和空间分辨的特点。由于DF丽信号光的高度准直性和相干性，可用于 进行远距离探测，且可有效的消除背景光，从而没有本底噪声。由于它的共振特性，其探测灵敏度比反斯托克斯拉曼衍射(CARS)光谱技术的灵敏度要高； (2) DF丽采用的是直接检测吸收，特别适合于荧光微弱或荧光辐射寿命很短的体 系及激发态具有电离和预解离通道的体系，尤其在压强较高时，碰撞猝灭会大 大将低激光诱导荧光(LIF)光谱技术的检测灵敏度，而DF丽技术则不受影响。从早期的理论和实验研究中可知，四波混频的信号强度与介质的三阶非线 性极化率/3)有关。在一定的条件下，z(3)越大，四波混频的信号强度也越大。 但对于非共振型气相非线性介质来说，7(3)不可能很大而与液相介质和固体介 质的DFWM相比，气相介质的DF丽信号强度要小5个量级以上。因此在气相非线性介质中，为了提高四波混频的信号强度，人们普遍采用共振型四波混频来 提高信号强度。只有当光频接近介质的共振频率时，由于极化率的共振增强， 才有可能大大提高相位共轭反射系数。如果泵浦光和探测光来源于同一束染料 激光，通过调谐染料激光的波长，由于与气相介质产生共振四波前向DFWM布局是三束相同频率的激光L丄和13由同一方向入射到介质中， 并且三束光在垂直平面上组成正方形的三个顶点；根据相位匹配的原则，由样 品池出射信号光将出现在正方形另一个顶点上，传播方向也是前向。在多数的 前向DF丽实验中，为了使三束泵浦光很好的在样品池中重合，常常先是将来自 同一激光源的三束激光在空间上调成平行，再用一个适当焦距的透镜将三束光 聚焦到样品池中，并再通过一个透镜将从样品池出射的光准直，这样就可很好的分离信号光和杂散光，而不减弱信号光，有助于获得较好的信噪比。前向光路的优点(l)可达到干涉和衍射的多种组合，即可以是L和l2作为 泵浦光，13作为探测光衍射出信号；也可以是L、 13作为泵浦光，而L作为探 测光；(2)在分离信号光和杂散光的过程中，没有的减弱接收到的信号光,所以 与后向布局相比有较好的信噪比。然而，目前在前向四波混频的实验中，在对光的过程中却存在诸多问题。 前向DF寵布局，三束相同频率的激光L、 12和13由同一方向入射到介质中，并 且三束光在垂直平面上组成正方形的三个顶点；根据相位匹配的原则，由样品 池出射信号光将出现在正方形另一个顶点上，传播方向也是前向。在多数的前 向DF丽实验中，为了使三束泵浦光很好的在样品池中重合，常常先是将来自同 一激光源的三束激光在空间上调成平行，再用一个适当焦距的透镜将三束光聚 焦到样品池中。以前的观察三束光聚焦的方法是先用肉眼将三束光会聚，在将 样品池移到相应的重叠区，这种方法极不精确，不容易得到好的重叠，所以往 往观察不到信号光，就得回过头来重新调整光路，所以极其费时、费力。具体来说存在以下两个方面的问题。首先，实验过程中需要把样品池放在 透镜fi的焦点上，每次对光的时候必须把样品池移开，实验中科研人员大多采 用肉眼直接观察的方法来对光。这样一来就会造成两个后果 一是每次对完光 路后，再把样品池放在焦点处，这样容易既不能保证样品池放在焦点处，又有 可能破坏光路；二是由于激光是高亮度高强度的光源，所以在实验中科研人员 采用肉眼直接观察的方法来对光时，极易损伤科研人员眼睛视网膜。其次，即 使采用CCD在焦点处对光，也存在问题两个问题 一是每次对光时，由于在焦 点处的物象焦斑非常小，因此在CCD很难同时分辨出四个光束是否放在焦点处 重合；二是每次对完光路后，再把样品池放在焦点处，这样容易既不能保证样 品池放在焦点处，又有可能破坏光路。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的像点对光法来调节光路，从而提高了 DFWM光 路的调节速度和准确度。上述的目的通过以下的技术方案实现四波混频技术的像点对光法，其组成包括汇聚平行光、成像到电荷藕合 元件CCD获得重叠区所述的汇聚平行光是忽略窗片对光束会聚的影响，在垂直 面上通过正方形顶点的三束平行光被会聚于样品池中，所述的成像到CCD是用 另一透镜将焦点的像成到后面的CCD上，所述的获得重叠区是在不移动样品池， 准确的将三束光会聚于样品池中，得到的重叠区。所述的四波混频技术的像点对光法，本方法在使用过程中已计算在光路中 窗片偏角和透镜像差。这个技术方案有以下有益效果l.为了验证本发明的有效性，我们以碘蒸汽为本实验气相介质，采用具有自稳分光特性的前向DFWM布局。实验中发现，采用一种新的像点对光法来调节 光路，从而提高了DF丽光路的调节速度和准确度。并且在常温常压条件下，由 于碰撞淬灭会大大降低激光诱导荧光光谱(LIF)的检测灵敏度，几乎观察不到 碘蒸汽荧光光谱，但却可获得较强的碘蒸汽的简并四波混频信号。这是目前已 知首次测定了常温常压下12在554nm-556nm中的前向DF丽光谱。前向DFWM的实验装置如附图1所示。图中浙，趙一反射镜，"&,万&一分束 片，A力一正透镜，/^r一光电倍增管。在调节光路的过程中，关键是要使三束激光在空间上完全重叠，和有效的 消除杂散光。经过计算发现可以忽略窗片对光束的会聚的影响，在对光时本发 明采用观察重叠点的像的方法来判断三束光是否重叠，这时的像存在像差，当 两束光相距8咖，透镜&距重叠区500咖时，计算得到的垂轴像差为18. 69 ii m， 而这时的光斑约为900um,所以相比之下像差可以忽略，可以将重叠区的像成 到CCD上，用计算机里相应的程序观察三束光的光斑，来配合调节光路使三束 激光很好的重叠，从而就可以在不移动样品池的情况下，准确的将三束光重叠 于样品池中，得到好的重叠区，消除了之前直接用肉眼对光所带来的偏差，为 迅速的调节光路、找到重叠区提供了好的解决方案。当主体光路调好后，还要将DF觀信号引入光电倍增管，可以任意选择12 的一条强吸收线(通过观察12的荧光强弱来选择波长)，先提高入射激光能量，使 体系工作于饱和区，从而使肉眼能观察到I2的DF丽信号光。当我们观察到一个光点后，怎样鉴别它就是我们要找的信号光，方法有(l)当挡住三束入射光中 任何一束时光点都会消失。表明光点是三束光相互干涉和衍射引起的。(2)当拿 掉样品池后，光点也会消失从而说明光点是三束光与样品池内的非线性吸收介 质相互作用产生的。(3)控制染料激光器使激光波长扫过碘的共振波长时，光点 有明暗变化。如观察到的光点符合以上三种现象，则确定观察到了信号光。等 整个光路调整好以后，降低泵谱激光能量，系统就可以开始正常工作和进行数 据采集了。
附图1是本发明系统光路示意图。 附图2是三束光位置示意图。 附图3是窗片折射示意图。 附图4是正透镜成像示意图。 附图5是光通过透镜时的A位置。 附图6是光通过透镜时的B位置。 附图7是光通过透镜时的C位置。 附图8是本发明光路布局装置示意图。 本发明的
具体实施例方式实施例l:四波混频技术的像点对光法，其组成包括汇聚平行光、成像到CCD、获得重叠区，所述的汇聚平行光是忽略窗片对光束的会聚的影响在垂直面上通过正方形顶点的三束平行光被会聚于样品池中，所述的成像到CCD是用另一透镜将 焦点的像成到后面的CCD上，所述的获得重叠区是在不移动样品池，准确的将 三束光会聚于样品池中，得到的重叠区。所述的四波混频技术的像点对光法，本方法在使用过程中计算在光路中窗 片偏角和透镜像差。窗片偏角的计算入射光在经过样品池的窗片时的偏角，我们所用的是石英窗片，其折射率为n=l. 45857，倾角ct为1分(即1/60度)，并假设窗片的放 置是在垂直面内上窄下宽，三束光的位置如附图2所示。附图3为光线经过窗片前后两面折射后的情况，其中出射光线相对于入射 光线偏转的角度为S ，其正负规定为有入射光线从锐角方向转到出射光线， 顺时针者为正，反之为负。对两个面写出折射定律sin《=w sin《 (1)sin《=w sin《 (2 )由图可得"=《'-<92,》=《+《=《—《+《—《 (3) 从而 (4) 将(1)， (2)式相减并和差化积，再将公式(3), (4)代入得<,e、 cos"+^) . "r，sm/, e、 cos-'"+" = wsilAL (5)22 a+汰' cos-2可见，光线经窗片折射后的偏角s是光线入射角e,、窗片倾角a和折射率n的函数。当a和n—定时，5仅随e i而变。当a和S都很小时，从(3)式中可知《=《，《=《，将其代入(5)得sm=w sin 1 、 t) J]cos《 2 cos《这样，当给定入射角e,时，由a)， (6)两式就可算出偏角s。由附图1可计算出L的入射角为(9, = arctan~^~ - or = 0. 5563 (度) 1 400由(1)式得，9/ = 0.3814 (度) 由(6)式得，S产0.0076 (度) 在焦平面处向下偏移，L!= tan 6 ! X 75000/cos (arctan (4/400)) = 10. 0057 (um)同理算得12， 13的偏移量为《=arCtanl + "=0.5896 (度)40002' =0.4042 (度),S 2=0. 0076 (度) L2= tan S 2X 75000/cos (arctan (4/400))= 10.0058 (um) 可见三束光均向下偏移，且I2、 L的向下偏移量相同，三束光在焦点处错开约L「 L2"9.8120e-5 (um)由于在焦点处的光斑大小约为lOOum左右，所以相比较两束光在焦点处错 开的距离可以忽略，即忽略窗片对光束的会聚的影响，推广到一般的情况，任 何位置的以小的角度通过窗片并会聚于一点的光均可忽略窗片对光束的会聚的 影响。正透镜像差的计算由于轴上点以单色光成像时只有球差，所以我们只计 算重叠点A的球差，在附图1里的窗片可以看作平行平板，它对球差的产生可以忽略，所以只需计算三束光通过透镜所产生的球差。由公式(7)算出理想像点的位置<formula>formula see original document page 8</formula>轴上点经单个折射球面成像公式<formula>formula see original document page 8</formula>由于这里1^500mm, n， =1.5183, n=l， r=207. 32咖，U由三束光相对透镜主 光轴的位置决定。由(7)式得到理想像点的位置1' =4603. 6374mm。(1) 当正方形关于主轴对称时，且正方形边长为8mm,如附图5所示，用公 式(8) (11)计算两次得到三束光的像点位置，L'=4588.4566mm，轴向相差 =15. 1808mm,垂轴像差=0. 0187mm。(2) 当正方形向一边移动lmm时，如附图6所示，用公式(8) (ll)计算两 次得到离主轴较远的L的像点位置，L'=4584. 2024mm,轴向相差=19. 4350咖， 垂轴像差=0. 0271咖。(3) 当正方形向两边都移动lmm时，如附图7所示，用公式(8) (11)计算 两次得到离主轴较远I!的像点位置，L， =4579. 9549mm,轴向相差=23. 0682咖， 垂轴像差=0. 0365mm。从以上计算可以看出，当三束光所在的正边形关于透镜的光轴对称或有微小偏差时，最大的垂轴像差为36. 5196um，而这时的光束的直径约为900um，相 比较可以忽略，所以调节光路当CCD上的三个光斑重合时，表明三束光以很好 的重叠于样品池中。如附图8用Nd:YAG激光器1 (Continuum, Powerlite Precision n 9100) 的倍频532nm的输出泵浦染料激光器2(Lambda Physik， Scanmate pro ),所使 用染料为PM580，获得550nm-570nm连续可调的染料激光，激光的重复频率为 10Hz,染料激光的线宽为0.12cm—V激光器的脉冲宽度为7ns。染料激光器输出 的染料激光经自稳分光系统后形成四束在空间上相互平行的激光，并且四束光 在与光束垂直方向上形成正方形的四个顶点，将一束光挡住，另外三束光由焦 距为400mm的透镜& 3会聚于样品池中，在满足相位共轭的将产生DF丽信号光， 信号光通过焦距为400mm的透镜f2 4为准直，经一系列光栏滤光后由光电倍增 管检测。将少量的固态碘放入两端封有石英窗片的样品池中，打开气阀使样品 池中的压强为大气压，然后关闭气阀在常温下使12达到饱和，常温下I2的饱和 蒸汽压约为40Pa,泵浦激光能量为20uJ时，扫描染料激光器的波长，步长为 0.002nm， 一个步长打50个点取平均。光电倍增管的信号经Boxcar平均后，由 计算机进行处理和保存。在常温常压条件下，由于碰撞淬灭会大大降低激光诱导荧光光谱(LIF)的 检测灵敏度，几乎观察不到碘蒸汽荧光光谱，但却可获得较强的碘蒸汽的简并 四波混频信号。实验获得碘蒸汽在554. 740nm-554. 588nm的DFWM光谱，并得到 该光谱随能量变化的曲线，而且发现在常温常压条件下DF丽信号的背景噪声并 没有随泵浦能量的增强而增大。
权利要求
1.一种四波混频技术的像点对光法，其组成包括汇聚平行光、成像到电荷藕合元件CCD获得重叠区，其特征是所述的汇聚平行光是忽略窗片对光束会聚的影响，在垂直面上通过正方形顶点的三束平行光被会聚于样品池中，所述的成像到CCD是用另一透镜将焦点的像成到后面的CCD上，所述的获得重叠区是在不移动样品池，准确的将三束光会聚于样品池中，得到的重叠区。
2. 根据权利要求l所述的四波混频技术的像点对光法，其特征是本方法在使用过程中已计算在光路中窗片偏角和透镜像差。
全文摘要
四波混频技术的像点对光法，四波混频作为一项高灵敏度的光谱技术已在痕迹量原子、分子和自由基的探测方面取得了很大的成功。然而，目前在前向四波混频的实验中，在对光的过程中却存在诸多问题。本发明组成包括汇聚平行光、成像到CCD、获得重叠区，所述的汇聚平行光是忽略窗片对光束的会聚的影响在垂直面上通过正方形顶点的三束平行光被会聚于样品池中，所述的成像到CCD是用另一透镜将焦点的像成到后面的CCD上，所述的获得重叠区是在不移动样品池，准确的将三束光会聚于样品池中，得到的重叠区。本发明应用于光学领域。
文档编号G02F1/35GK101620355SQ200810137679
公开日2010年1月6日 申请日期2008年7月7日 优先权日2007年9月21日
发明者樊荣伟, 王维波, 陈德红 申请人:哈尔滨工业大学