一种超短单脉冲时间分辨泵浦探测仪的制作方法

本实用新型属于非线性光子学材料和非线性光学信息处理技术领域，具体涉及一种研究材料的非线性光学物理机制以及测量其光学物理参数的系统。

背景技术：

随着光通信和光信息处理等领域技术的飞速发展，非线性光学材料的研究日益重要。光学逻辑、光学记忆、光三极管、光开关和相位复共轭等功能的实现主要依赖于非线性光学材料的研究进展。光学非线性测量技术是研究非线性光学材料的关键技术之一，其中弄清材料的光学非线性机制，如何准确的确定材料重要的物理参量对于如何应用材料是非常重要的。Z扫描方法(Mansoor Sheik-Bahae，Ali A.Said，Tai-Hui Wei，David J.Hagan，E.W.Van Stryland.“Sensitive measurement of optical nonlinearities using a single beam”，IEEE J.Quantum Elect，26，760-769(1990))是目前最常用的单光束测量材料光学非线性的方法，此方法是在光束畸变测量方法的基础上提出的，其优点是光路简单，处理方法简单，测量精度高，并且可同时测量非线性吸收与折射。但这种方法很难准确的确定材料的光学非线性机制以及材料对应重要的光学物理参数。

在Z-scan的基础上，1994年J.Wang等人提出了时间分辨Z-scan技术(J.Wang，M.Sheik-Bahae，A.A.Said，D.J.Hagan，and E.W.Van Stryland，“Time-resolved Z-scan measurements of optical nonlinearities”，J.Opt.Soc.Am.B，11，1009-1017，1994)。这种方法通过对样品出射的不同时刻探测光强度的变化情况的分析来确定材料光学非线性的机制以及各个能级重要的光学物理参数。但这种方法在测量样品非线性折射随时间变化的特征时比较麻烦，而且误差比较大，具体表现为：(1)测量时需先测量样品的非线性吸收的时间特征，然后再把样品分别放在两个位置进行非线性折射时间特征的测量，最后还要除去非线性吸收的影响。(2)不能同时进行非线性吸收和非线性折射时间特征的测量，由于不同时刻激光的空间分布和能量是不同的，从而会引起较大的测量误差。另外还有一种可以同时测量瞬态非线性吸收和非线性折射的相位物体泵浦探测技术(Junyi Yang，Yinglin Song，Yuxiao Wang，Changwei Li，Xiao Jin，and Min Shui，“Time-resolved pump-probe technology with phase object for measurements of optical nonlinearities”，Optics Express 17，7110–7116(2009))，就是在原有传统泵浦探测系统的基础上，在探测光路的透镜前焦面的位置加一个相位物体。

但是，上述这些技术都有一个共同的特点，都需要通过移动平台来实现两束光延迟，从而实现时间分辨。在实验的过程中，需要多个泵浦脉冲激光材料获得一个时间分辨曲线结果。如只存在一个脉冲泵浦光，该技术就不能获得材料的时间分辨特征曲线。

技术实现要素：

本实用新型的目的是解决传统泵浦探测中移动平台延时线结构复杂且容易引入系统误差的问题。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种超短单脉冲时间分辨泵浦探测仪，包括激光器、延时反射镜、分束器、探测光路和泵浦光路、图像采集传感器；所述的延时反射镜由一组阶梯状的反射面组成；所述的激光器发出的光经所述分束器后被分成所述的探测光路和泵浦光路；所述的泵浦光路聚焦于待测样品上，探测光路入射至所述延时反射镜后被所述阶梯状的反射面反射至所述待测样品，图像采集传感器放置在待测样品附近接收从样品出射的光斑图像。所述的图像采集传感器包括CCD、CMOS以及其他图像采集单元。

上述技术方案中，由于延时反射镜是由一组阶梯状的反射面组成，激光入射到每个阶梯状的表面，再经由每个阶梯反射面反射后的光束之间会产生不同的光程差，从而每个光束之间就会产生时间延迟。通过受到泵浦光的激发后的非线性样品后，由于样品中的粒子布居数随着时间不断变化的，对于不同时刻的探测光产生的影响是不同的，从样品探测光束的强度的变化就可以得知这个时刻样品中的粒子布居情况，通过分析不同时刻的探测光的情况就能够同时测量出样品的非线性吸收时间特性曲线，从而可以确定各个能级的吸收截面和寿命。本实用新型方法提供的测量系统对光路的要求大大降低，减少了系统对移动平台的要求；测量的过程中样品不需要移动，只需要一个激光脉冲就可以得到待测样品的时间分辨泵浦探测曲线。

上述技术方案中，延时反射镜的反射面为一阶梯形状，其中阶梯的高度由激光脉冲宽度及系统测量精度确定。反射镜阶梯的宽度由成像系统中所成像大小与物体大小的比值及图像采集传感器像素尺寸决定，算法为阶梯宽度(W)＝N*图像采集传感器像素尺寸/系统放大倍数，N为所占像素的个数；阶梯的高度决定了延迟时间分辨率，可根据脉冲宽度决定，具体算法为阶梯高度(h)＝延迟时间分辨率*光速/2。

本技术方案用实现了对非线性材料参数的测量，同其他非线性光学测量技术相比，具有以下优点：

1.测量非常方便，没有样品的移动，只需要一个激光脉冲就可以获得时间分辨泵浦探测曲线，实验光路与传统泵浦探测光路相比非常简单。

2.无需传统光路中高精度的移动平台来实现时间延迟，只需要一个时间延时反射镜就可以实现时间延迟。

3.可以广泛地应用于非线性光学测量、非线性光子学材料、非线性光学信息处理和光子学器件等研究领域，尤其是非线性光功能材料的测试和改性等关键环节，利用本实用新型方法，能够保证测试参数全面，测试结果准确，极大地排除了不确定因素的干扰；另外本方法对激光的质量和光路要求简单，测试速度快捷。

附图说明

图1为延时反射镜示意图；

图2为基于时间延时反射镜的泵浦探测方法的工作原理图；

图3为不放置待测样品时的线性光斑图；

图4为放置待测样品后的非线性光斑图；

图5为经过图像处理获得的归一化时间分辨泵浦探测曲线；

其中：1、入射激光束；2、分束器；3、探测光路；4、泵浦光路；5、第一反射镜；6、第二反射镜；7、第一凸透镜；8、分束镜；9、延时反射镜；10、第二凸透镜；11、待测样品；12、图像采集传感器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本新型作进一步描述：

实施例：一种超短单脉冲时间分辨泵浦探测仪，以探测光路和泵浦光路为基础，泵浦光路由反射镜，凸透镜组成；探测光路由反射镜，分束镜，时间延时反射镜，凸透镜，图像采集传感器组成，时间延时反射镜可改变探测光的延迟时间；泵浦光路与探测光路同时聚焦于待测样品上。

利用分束器2把激光脉冲1分成探测光路3和泵浦光路4，探测光路3经过分束镜8后由时间延时反射镜9垂直反射后(或者时间延时反射镜9直接代替分束镜8改变光束传播方向)，由第二凸透镜10聚焦到待测样品11上，经过待测样品11后，由图像采集传感器12接收；泵浦光路4经过第一反射镜5，第二反射镜6，由第一凸透镜7聚焦到待测样品11上，使待测样品11处于基态的粒子受到激发跃迁到激发态，粒子布居数分布的变化对探测光路3的吸收产生影响，又由于粒子布居数随时间是不断变化的，由时间延时反射镜9反射后的光束可以对不同时刻的变化进行探测，并被图像采集传感器12接收。

在本实施例中，激光光束为Light Conversion公司的掺镱光纤(Yb:KGW)飞秒激光器倍频以后的515nm激光，脉宽190fs。图像采集传感器为ADIMEC-4020m。待测样品为硒化锌(ZnSe)，在515nm处为双光子吸收光学非线性。时间延时反射镜的阶梯高度h为10μm，时间分辨率为67fs，阶梯宽度W为100μm。

具体的检测步骤为：(1)不放置待测样品11，图像采集传感器12接收探测光的光斑，为线性参考光斑，附图3是不放置待测样品时的线性光斑图；

(2)将样品放置在探测光路中，图像采集传感器接收探测光的光斑，为非线性光斑；图4为放置待测样品后的非线性光斑图；(3)对步骤(1)中的线性图像进行处理，将图像中同一曲线上的光斑通过图像处理软件转化为没有待测样品的线性曲线，再将步骤(2)中的光斑通过相同的方法进行处理，获得待测样品的非线性曲线。将待测样品的非线性曲线除以无样品时的线性曲线，进行归一化后获得材料时间分辨泵浦探测曲线；图5为经过图像处理获得的归一化时间分辨泵浦探测曲线。

对于ZnSe非线性测量的实验和理论计算具体过程如下：

由于和泵浦光相比探测光能量很弱，所以泵浦光的双光子吸收成为自由载流子产生的唯一途径，其速率可表示为：

式中的Ie为泵浦光样品处的光强，τr为自由载流子寿命。自由载流子引起的吸收系数的改变正比于过剩载流子浓度，可以表示成：

Δαf＝σαΔN(t) (2)

式中σα为自由载流子吸收截面。考虑到束缚电子效应和自由载流子共同效应的结合，利用薄样品和慢变振幅近似，探测光和泵浦光在ZnSe晶体内部的传播公式为：

式中的Ip表示探测光的光强。可以利用公式结合泵浦探测实验数据，直接确定ZnSe内部的光学非线性机制，准确地获得相应的光物理参数。

本实用新型公开了一种超短单脉冲时间分辨泵浦探测仪，把激光器输出来的激光分为泵浦光和探测光，泵浦光经过透镜聚焦到非线性样品上使之产生非线性；探测光经过一时间延时反射镜反射后探测由泵浦光诱导非线性样品产生的变化，被图像采集传感器接收图像。在经过不同的时间延迟的探测光的情况下，从样品出射的探测光强度的变化反映了不同时刻样品中的粒子数布居的情况，从而确定各个能级的吸收截面和寿命。按本实用新型方法工作的测量系统测量非常方便，没有样品的移动，只需要一个激光脉冲就可以获得时间分辨泵浦探测曲线，实验光路与传统泵浦探测光路相比非常简单。无需传统光路中高精度的移动平台来实现时间延迟，只需要一个时间延时反射镜就可以实现时间延迟。

本技术方案未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。