专利名称：消除光栅单色仪时间弥散的方法
技术领域：
本发明属于光学测量技术领域中，涉及应用于瞬态光学和超快速光谱学的一种消除单色仪时间弥散的方法。
背景技术：
在瞬态光学、超快速光谱中，经常需要从光的能量和时间特性两个方面研究光场。在光谱能量分辨基础上进行光谱时间高分辨研究，是研究微观体系动力学过程，探索微观作用机制与宏观性质内在联系的主要方法。
光强随波长的变化。主要技术指标是色散率，分辨本领，聚光本领，进行光谱能量分辨的主要光学设备是单色仪，分解被测光，得到而不考虑光子渡越时产生时间弥散大小。
图1为单色仪时间弥散示意图入射狭缝1-3，出射狭缝1-5，入射光脉冲1-9，出射光脉冲1-11，光栅a，入射凹面镜b，出射凹面镜c。
光谱时间分辨主要是观察光谱随时间变化。问题在于当光子进入单色仪入射狭缝，并从单色仪出射狭缝射出需要渡越时间，在单色仪通光孔径中不同路径其光程不同，由于光速是一定的，则不同路径光子渡越时间不同，光子渡越时间出现弥散，光传播中波面发生变化，从而使入射短脉冲光经过单色仪到出射狭缝时已被展宽。计算和实验表明，这一时间弥散在几十到几百皮秒，严重改变被测光的时间特性。例如用条纹相机做瞬态光学信号测量，若选择条纹相机的时间分辨率为2PS时，而使用单色仪做光谱分辨时，几个皮秒的被测光脉冲通过单色仪将被展宽数十至数百皮秒，使得测量结果严重失实。
本发明的详细内容为了解决背景技术严重改变被测光脉冲的时间特性问题，本发明的目的是提供一种既适于光谱能量分辨，又适于光谱时间分辨的单色仪，这种方法就是利用光程补偿消除单色仪时间弥散的方法。
单色仪通光孔径中不同光线的光程差是由于入射凹面镜和出射凹面镜的倾斜，光栅的偏转和扫描等因素引起，这个光程差随光栅扫描而变化。光程不能抵消相减，本发明利用补偿的方法达到平衡，使光程差趋于最小，从而消除时间弥散。
本发明如图2包括单色仪2-1、时间弥散补偿器2-2、入射狭缝2-3、中间狭缝2-4、出射狭缝2-5、入射光子群2-6、中间光子群2-7、出射光子群2-8、入射光脉冲2-9、中间光脉冲2-10、出射光脉冲2-11，首先选择在时间上具有一致性的入射光子群，使入射光子群进入入射狭缝，入射光子群经由不同路径、渡越不同光程，于中间狭缝处在时间上拉开间隔，形成有顺序排列的中间光子群即被展宽的中间光脉冲；利用时间弥散补偿器使中间光子群的各光子光程分别受到不同大小的补偿，从而使各光子从入射狭缝到出射狭缝的总光程基本相等，从而使出射光子群基本恢复到入射光子群的时间一致性，利用时间弥散补偿器补偿后的出射光脉冲恢复到入射光脉冲的波形，并且使出射狭缝输出单色光。
时间弥散补偿器的制作是采用分区域补偿，使单个区域内产生的时间弥散不超过10PS，在出射狭缝处的光强为各分区的光强迭加，时间弥散等于单个区域的时间弥散。
采用本发明的方法中的时间弥散补偿器解决了背景技术严重改变被测光脉冲时间特性的问题，消除了单色仪的时间弥散，或把其时间弥散降低到能接受的程度，从而使单色仪既适于光谱能量分辨，又适于光谱时间分辨。本发明的方法在物理学、化学、生物学、材料和信息科学、医学和药学中均有广泛的应用，如原子分子，团簇，低维结构，化学反应动力学，光功能材料和器件，电荷转移动力学，光合作用吸能、传能和转能，药物鉴别，免疫分析等技术领域。
图1为背景技术单色仪时间弥散示意2为本发明消除时间弥散单色仪原理示意3为本发明实施例消除时间弥散单色仪的结构示意图具体实施方式
如图3所示包括入射狭缝3-3、出射狭缝3-5、入射光脉冲3-9、出射光脉冲3-11、光栅A、入射凹面镜B、时间弥散补偿器C。
本发明采用随动阶梯凹面镜补偿式消除时间弥散单色仪，入射狭缝3-3、出射狭缝3-5均采用普通狭缝。光栅A采用反射式衍射光栅。入射凹面镜B采用普通的凹面镜。时间弥散补偿器C采用随动阶梯凹面镜，要实现阶梯凹面镜各区域的时间弥散的不累加，这就要求各区域的对应点不存在光程差；要实现光栅A扫描过程中的补偿，这又要求阶梯凹面镜各区域与光栅A扫描随动。除此外时间弥散补偿器C还可以采用对单色仪有对称关系的时间弥散补偿器。
阶梯凹面镜是采用分区域补偿，使单个区域内产生的时间弥散不超过10PS，在出射狭缝处的光强为各分区的光强迭加，时间弥散等于单个区域的时间弥散，而不是各区域的时间弥散的累加，使时间弥散降低到能接受的程度。
阶梯凹面镜的制作阶梯凹面镜采用若干块玻璃滑块组成，阶梯凹面镜采用若干块3mm厚的K9玻璃滑块组成，在它们的端面研磨成凹面镜。阶梯凹面镜面形与图1中的出射凹面镜c相同，阶梯凹面镜的光轴方向与滑块的边棱的关系是当滑块的边棱与图3中的光栅A衍射的单色光线方向一致时，该阶梯凹面镜的光轴通过出射狭缝，滑块随光栅A的移动应使时间弥散最小。
权利要求
1.消除光栅单色仪时间弥散的方法，首先选择在时间上具有一致性的入射光子群2-6，使入射光子群2-6进入入射狭缝2-3，入射光子群2-6经由不同路径、渡越不同光程，于中间狭缝2-4处在时间上拉开间隔，形成有顺序排列的中间光子群2-7即被展宽的中间光脉冲2-10；其特征在于利用时间弥散补偿器2-2使中间光子群2-7的各光子光程分别受到不同大小的补偿，从而使各光子从入射狭缝2-3到出射狭缝2-5的总光程基本相等，从而使出射光子群2-7基本恢复到与入射光子群2-6的时间一致性，利用时间弥散补偿器2-2补偿后的出射光脉冲2-11恢复到入射光脉冲2-9的波形，并且使出射狭缝2-5输出单色光。
2.根据权利要求1所述的消除光栅单色仪时间弥散的方法，其特征在于时间弥散补偿器2-2的制作是采用分区域补偿，使单个区域内产生的时间弥散不超过10PS，在出射狭缝2-5处的光强为各分区的光强迭加，时间弥散等于单个区域的时间弥散。
全文摘要
本发明涉及应用于瞬态光学和超快速光谱学消除单色仪时间弥散的方法。入射光子群进入入射狭缝从时间上拉开间隔、形成中间光子群；利用时间弥散补偿器使中间光子群的各光子光程分别受到不同大小的补偿，使各光子的总光程相等，使出射光子群恢复到与入射光子群的时间一致性，利用时间弥散补偿器补偿后的出射光脉冲恢复到入射光脉冲的波形，使出射狭缝输出单色光。消除了单色仪的时间弥散，既适于光谱能量分辨，又适于光谱时间分辨。本发明在物理学、化学、生物学、材料和信息科学、医学和药学中应用，如原子分子，团簇，低维结构，化学反应动力学，光功能材料和器件，电荷转移动力学，光合作用吸能、传能和转能，药物鉴别，免疫分析等技术领域。
文档编号G01J3/02GK1504730SQ0214471
公开日2004年6月16日 申请日期2002年12月5日 优先权日2002年12月5日
发明者林久令, 张秀峰, 王彩霞, 韩柄东, 孙宏海, 高长艳 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 中国科学院长春光学精密机械与物理研