一种空间周期连续可调的激光瞬态光栅系统的制作方法

本发明涉及激光泵浦探测领域，特别涉及一种空间周期连续可调的激光瞬态光栅系统。

背景技术：

激光激发产生的瞬态光栅技术是一项时间分辨技术，两束相互交叉的激光脉冲在样品中产生干涉形成一个空间周期性的激发，可通过其对探测光的衍射来观察其动态变化；当前，瞬态光栅光谱技术已经应用到了很广泛的领域，例如，声波传播、声子极化、热传递、分子扩散、半导体载流子和自旋动力学、电荷密度波以及蛋白质的动力学行为等研究领域。

目前，绝大多数瞬态光栅装置都是利用一块光栅具有较高衍射效率的一阶衍射来产生一对激发激光束，利用衍射光栅可以实现稳定的光学外差探测；最常用的外差瞬态光栅，通过一块相位掩膜光栅将激发光分为激发激光束对，将探测光分为探测激光束和参考光束，这些光束通过一个4f系统后在样品中再次重合，探测光在样品中通过由泵浦激光激发的瞬态光栅而产生的衍射光与从样品中透过的参考光束同轴共线，从而使外差探测得以实现，探测光和参考光之间的相位差可以通过调节探测光光路中置入的玻璃片倾斜角度来控制。

尽管可以通过更换不同频率的掩膜光栅来激发出不同频率的瞬态光栅，然而在一些应用中需要对瞬态光栅的周期进行精细的控制，例如，在声学测量中，希望能够在声子晶体布里渊区边界处进行连续精确的选模激发，或者探寻声学超材料的窄共振。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的现有激光瞬态光栅系统可以通过更换不同频率的掩膜光栅来激发出不同频率的瞬态光栅，但是无法满足一些应用领域中需要对瞬态光栅的周期进行精细的控制的上述不足，提供一种空间周期连续可调的激光瞬态光栅系统。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种空间周期连续可调的激光瞬态光栅系统，包括：

激发激光束，用于激发瞬态光栅；

掩膜光栅，用于对所述激发激光束进行衍射分光，所述激发激光束由所述掩膜光栅的一侧照射到所述掩膜光栅上；

滤光装置，与所述激发激光束分别位于所述掩膜光栅相对的两侧，所述滤光装置包括若干个吸收挡板，所述吸收挡板用于吸收遮挡所述激发激光束的零级衍射光和高阶衍射光，留出所述激发激光束的±1级衍射光，形成激发光束对；

连续变焦成像装置，与所述掩膜光栅分别位于所述滤光装置相对的两侧，所述连续变焦成像装置包括至少三个依次排列设置的第一透镜，相邻两个所述第一透镜的间距可调，所述激发光束对射入所述连续变焦成像装置，并经过所有所述第一透镜折射后出射，最终在样品上汇聚、交叉干涉形成瞬态光栅。

其中，所述第一透镜包括凸透镜、凹透镜、平凸透镜和平凹透镜，所述连续变焦成像装置包括凸-凹-凸或凹-凸-凹两种基本的组合结构，以及在凸-凹-凸或凹-凸-凹这两种基本组合结构上变形、扩展的组合结构，如凸-凹-凸-凹-凸、凹-凸-凹-凸-凹等组合结构。

采用本发明所述的一种空间周期连续可调的激光瞬态光栅系统，可在保持所述样品位置不动的情况下，通过调节所有所述第一透镜之间的距离，实现该系统成像倍率的连续变化，即在所述样品上实现空间周期连续可调的激光瞬态光栅，满足一些应用领域中对瞬态光栅的周期进行精细的连续微调控制的需求，该系统结构简单，使用方便，效果良好。

优选地，所述掩膜光栅为变频掩膜光栅，用于产生不同角度的衍射光。

采用这种结构设置，所述变频掩膜光栅上包括若干个不同频率的光栅，所述激发激光束每次照射到同一个光栅上，通过移动所述掩膜光栅的位置，使所述激发激光束照射到不同频率的光栅上，从而控制衍射分光角度，以此调节瞬态光栅。

优选地，该瞬态光栅系统还包括4f装置，所述4f装置位于所述掩膜光栅和所述连续变焦成像装置之间，所述4f装置包括两个相对设置的第二透镜，所述滤光装置位于两个所述第二透镜之间，所述4f装置用于接收和折射所述激发激光束的±1级衍射光。

此处所说的4f装置是指光学领域常用的4f系统。

采用这种结构设置，通过所述4f装置的共焦成像，使经过所述掩膜光栅衍射分光过后的光束在成像位置处再重合，形成所述掩膜光栅的像，再经过像传递的方式，实现瞬态光栅周期的连续微调。

优选地，该瞬态光栅系统还包括探测激光束和探测装置，所述探测激光束和所述激发激光束位于所述掩膜光栅的同一侧，且作用于所述掩膜光栅的同一位置，所述探测装置和所述连续变焦成像装置位于所述样品相对的两侧，所述探测激光束经所述瞬态光栅产生衍射，所述探测装置用于接收所述探测激光束的衍射光。

所述掩膜光栅对所述探测激光束进行衍射分光，所述吸收挡板吸收多余的所述探测激光束的衍射光，留出需要的所述探测激光束衍射光进入所述连续变焦成像装置，并最终传递到所述瞬态光栅处。

优选地，初始状态下所述激发激光束与所述探测激光束同轴。

优选地，该瞬态光栅系统还包括激发光源和探测光源，所述激发光源用于发射所述激发激光束，所述探测光源用于发射所述探测激光束。

优选地，所述激发激光束为短脉冲激光或者超短脉冲激光，所述探测激光束为窄线宽连续激光或同步长脉冲激光。

优选地，所述探测激光束包括探测光束和参考光束。

所述掩膜光栅对所述探测激光束进行衍射分光，所述吸收挡板吸收遮挡所述探测激光束的零级衍射光和高阶衍射光，留出所述探测激光束的±1级衍射光，所述探测激光束的±1级衍射光即为所述探测光束和所述参考光束，所述探测光束和所述参考光束进入所述连续变焦成像装置，并最终传递到所述瞬态光栅处，所述探测光束在所述样品中通过所述瞬态光栅产生的衍射光，与从所述样品中透过的所述参考光束同轴共线，实现外差探测。

优选地，该瞬态光栅系统还包括衰减片，所述衰减片位于所述掩膜光栅和所述连续变焦成像装置之间，并位于所述参考光束的光路上，所述衰减片用于调节所述参考光束的强度，以利于外差探测。

优选地，所述衰减片为中性衰减片。

优选地，该瞬态光栅系统还包括玻璃片，所述玻璃片位于所述掩膜光栅和所述连续变焦成像装置之间，所述玻璃片与所述衰减片等厚，所述玻璃片位于所述探测光束的光路上，所述玻璃片用于使所述探测光束和所述参考光束的光程相等。

可以通过调节所述玻璃片的倾斜角度，来控制所述探测光束和所述参考光束两者的相位差。

优选地，所述连续变焦成像装置还包括壳体，所有所述第一透镜设于所述壳体内，所述壳体包括相对设置的进光口和出光口，所述激发光束对由所述进光口射入，经所有所述第一透镜传递，由所述出光口射出，并在样品上汇聚、交叉干涉形成瞬态光栅。

优选地，靠近所述掩膜光栅一侧的所述第一透镜相对所述壳体固定设置，仅需要改变其余所述第一透镜的位置关系，来调节所述连续变焦成像装置的成像倍率，简化连续变焦成像装置的结构设计，同时使用方便。

优选地，所述连续变焦成像装置还包括导轨，所述导轨设于所述壳体内，所有所述第一透镜滑动设于所述导轨上，所述壳体外表面上设有若干个调节部件，所述壳体内设有若干个传动部件，每个所述传动部件对应连接一个所述第一透镜，每个所述调节部件用于调节至少一个所述传动部件的联动，进而调节至少一个所述第一透镜的联动，实现所述连续变焦成像装置成像倍率的连续变化。

优选地，所述调节部件为旋钮，所述旋钮上设有指示条，所述旋钮对应处的所述壳体外表面上设有成像倍率标定值。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、运用本发明所述的一种空间周期连续可调的激光瞬态光栅系统，可在保持所述样品位置不动的情况下，通过调节所有所述第一透镜之间的距离，实现该系统成像倍率的连续变化，即在所述样品上实现空间周期连续可调的激光瞬态光栅，满足一些应用领域中对瞬态光栅的周期进行精细的连续微调控制的需求，该系统结构简单，使用方便，效果良好；

2、运用本发明所述的一种空间周期连续可调的激光瞬态光栅系统，所述变频掩膜光栅上包括若干个不同频率的光栅，所述激发激光束每次照射到同一个光栅上，通过移动所述掩膜光栅的位置，使所述激发激光束照射到不同频率的光栅上，从而控制衍射分光角度，以此调节瞬态光栅；

3、运用本发明所述的一种空间周期连续可调的激光瞬态光栅系统，通过所述4f装置的共焦成像，使经过所述掩膜光栅衍射分光过后的光束在成像位置处再重合，形成所述掩膜光栅的像，再经过像传递的方式，实现瞬态光栅周期的连续微调；

4、运用本发明所述的一种空间周期连续可调的激光瞬态光栅系统，所述探测光束在所述样品中通过所述瞬态光栅产生的衍射光，与从所述样品中透过的所述参考光束同轴共线，实现外差探测；

5、运用本发明所述的一种空间周期连续可调的激光瞬态光栅系统，所述衰减片用于调节所述参考光束的强度，以利于外差探测；

6、运用本发明所述的一种空间周期连续可调的激光瞬态光栅系统，所述玻璃片与所述衰减片等厚，所述玻璃片用于使所述探测光束和所述参考光束的光程相等，并可以通过调节所述玻璃片的倾斜角度，来控制所述探测光束和所述参考光束两者的相位差。

附图说明

图1为本发明所述的空间周期连续可调的激光瞬态光栅系统的结构示意图。

图中标记：1-激发激光束，2-探测激光束，21-探测光束，22-参考光束，3-掩膜光栅，4-4f装置，41-玻璃片，42-衰减片，43-吸收挡板，44-第二透镜，5-连续变焦成像装置，51-第一透镜，52-壳体，6-探测装置，7-样品。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例

如图1所示，本发明所述的一种空间周期连续可调的激光瞬态光栅系统，包括：

激发光源，用于发射激发激光束1，所述激发激光束1用于激发瞬态光栅，所述激发激光束1为短脉冲激光或者超短脉冲激光；

探测光源，用于发射探测激光束2，所述探测激光束2和所述激发激光束1位于所述掩膜光栅3的同一侧，且作用于所述掩膜光栅3的同一位置，所述探测激光束2为窄线宽连续激光；

掩膜光栅3，用于对所述激发激光束1和所述探测激光束2进行衍射分光，所述激发激光束1和所述探测激光束2均是由所述掩膜光栅3的一侧照射到所述掩膜光栅3上，所述掩膜光栅3为变频掩膜光栅，所述变频掩膜光栅上包括若干个不同频率的光栅，所述激发激光束1和所述探测激光束2每次照射到同一个光栅上，通过移动所述掩膜光栅3的位置，使所述激发激光束1和所述探测激光束2照射到不同频率的光栅上，从而控制衍射分光角度，以此调节瞬态光栅；

4f装置4，与所述激发激光束1分别位于所述掩膜光栅3相对的两侧，所述4f装置4包括两个相对设置的第二透镜44，所述掩膜光栅3位于其靠近的所述第二透镜44的前焦点位置，两个所述第二透镜44之间设有滤光装置、玻璃片41和衰减片42；所述滤光装置包括若干个吸收挡板43，所有所述吸收挡板43均位于靠近所述掩膜光栅3的所述第二透镜44的后焦面位置(同时也是远离所述掩膜光栅3的所述第二透镜44的前焦面位置)，所述吸收挡板43用于吸收遮挡所述激发激光束1的零级衍射光和高阶衍射光，同时吸收遮挡所述探测激光束2的零级衍射光和高阶衍射光，留出所述激发激光束1的±1级衍射光，形成激发光束对，同时留出所述探测激光束2的±1级衍射光，将所述探测激光束2的±1级衍射光分为探测光束21和参考光束22；所述衰减片42为中性衰减片，位于所述参考光束22的光路上，所述衰减片42用于调节所述参考光束22的强度，以利于外差探测，所述玻璃片41与所述衰减片42等厚，位于所述探测光束21的光路上，所述玻璃片41用于使所述探测光束21和所述参考光束22的光程相等；所述4f装置4用于接收、传递所述激发激光束1的衍射光，并汇聚所述激发光束对、所述探测光束21和所述参考光束22；

连续变焦成像装置5，与所述掩膜光栅3分别位于所述4f装置4相对的两侧，所述连续变焦成像装置5包括壳体52和设于其中的三个依次排列设置的第一透镜51；所述壳体52包括相对设置的进光口和出光口，所述壳体52内设有导轨和若干个传动部件，所有所述第一透镜51滑动连接于所述导轨上，每个所述传动部件对应连接一个所述第一透镜51；所述壳体52外表面上设有若干个旋钮，所述旋钮上设有指示条，所述旋钮对应处的所述壳体52外表面上设有成像倍率标定值，每个所述旋钮用于调节至少一个所述传动部件的联动，进而调节至少一个所述第一透镜51的联动，实现所述连续变焦成像装置5成像倍率的连续变化；所述第一透镜51包括凸透镜、凹透镜；所述激发光束对由所述进光口射入，经所有所述第一透镜51折射，由所述出光口射出，并在样品7上汇聚、交叉干涉形成瞬态光栅；其中，所述连续变焦成像装置5的前光阑与靠近所述连续变焦成像装置5的所述第二透镜44的后焦面保持固定距离；

探测装置6，所述探测装置6和所述连续变焦成像装置5位于所述样品7相对的两侧，所述探测光束21在所述样品7中通过所述瞬态光栅产生的衍射光，与从所述样品7中透过的所述参考光束22同轴共线，所述探测装置6用于接收所述探测光束21的衍射光和所述参考光束22，实现外差探测；其中，所述探测装置6包括至少一个第三透镜，所述样品7与所述连续变焦成像装置5的后光阑保持固定距离，靠近所述样品7的所述第三透镜的前焦点位于所述样品7处。

使用时，所述激发光源发射所述激发激光束1，所述探测光源发射所述探测激光束2，所述探测激光束2和所述激发激光束1作用于所述掩膜光栅3的同一位置，所述掩膜光栅3对所述激发激光束1和所述探测激光束2进行衍射分光，取所述激发激光束1的±1级衍射光作为所述激发光束，取所述探测激光束2的±1级衍射光作为所述探测光束21和所述参考光束22，其余衍射光被位于所述4f装置4中的所述吸收挡板43吸收，所述参考光束22穿过位于所述4f装置4中的所述衰减片42，所述探测光束21穿过位于所述4f装置4中的所述玻璃片41，所述激发光束、所述探测光束21和所述参考光束22经过所述4f装置4传递和汇聚形成所述掩膜光栅3的像，并且所述激发光束、所述探测光束21和所述参考光束22进入所述连续变焦成像装置5并最终汇聚在所述样品7上，所述激发光束在所述样品7上形成瞬态光栅，所述探测光束21在所述瞬态光栅上衍射，其衍射光与所述参考光束22在所述瞬态光栅上的透射光同轴共线并被所述探测装置6探测，所述参考光束22加强了所述探测光束21衍射光的信号强度，由所述连续变焦成像装置5调节所述激发光束、所述探测光束21和所述参考光束22，保持在所述样品7位置不动的情况下，实现该系统成像倍率的连续变化。

作为本实施例的一个优选方案，初始状态下所述激发激光束1与所述探测激光束2同轴；可以通过调节所述玻璃片41的倾斜角度，来控制所述探测光束21和所述参考光束22两者的相位差；靠近所述掩膜光栅3一侧的所述第一透镜51相对所述壳体52固定设置，仅需要改变其余所述第一透镜51的位置关系，来调节所述连续变焦成像装置5的成像倍率，简化连续变焦成像装置5的结构设计，同时使用方便。

运用本发明所述的一种空间周期连续可调的激光瞬态光栅系统，可在保持所述样品7位置不动的情况下，通过所述4f装置4的共焦成像，使经过所述掩膜光栅3衍射分光过后的光束在成像位置处再重合，形成所述掩膜光栅3的像，以及通过连续变焦成像装置5将所述掩膜光栅3的像传递，其中调节所有所述第一透镜51之间的距离，实现该系统成像倍率的连续变化，即在所述样品7上实现空间周期连续可调的激光瞬态光栅，满足一些应用领域中对瞬态光栅的周期进行精细的连续微调控制的需求，该系统结构简单，使用方便，效果良好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。