一种单发飞秒脉冲光谱仪的制作方法

1.本发明涉及强激光非线性频率转换技术和光谱分析技术领域，具体地说，本发明涉及一种利用高能量、超宽带、光谱平坦度高的白光飞秒激光光源构建可用于超快时间尺度、超宽谱范围探测的单发飞秒脉冲激光光谱仪。


背景技术：

2.科学家利用光的相互作用来探测、监测、理解、操纵和利用微观的物理、化学和生物世界。携带一些光学信息的输入光(探测光)通过一个微观物体样品，引起光与物质的相互作用，转化为携带改变了的光学信息的输出光(信号光)。通过测量和分析探针与信号光之间携带信息的变化，可以了解微观物体的物理、化学和生物特性。实现这一目的的最简单而强大的方法之一是光学光谱，包括吸收、散射、荧光、拉曼、红外光谱等。所有这些光谱方法都是通过一个叫做光谱仪的仪器来实现的，光谱仪由三个关键部分组成：一个在某个波长范围内具有已知光谱轮廓的照明光源、一个波长分离装置和一个测量信号光光谱轮廓的光电探测器。通过分析信号光与探测光的光谱分布，可以得到内部的物理、化学和生物特性及其在外界影响下的时间演变。这条光谱学路线对许多学科的发展起到了非常重要的推动作用。然而，为了解决基础科学中一些尚未解决的基础问题，光谱学技术还需要进一步发展到更高的水平。
3.光谱学技术现存的一个问题是旨在能够同时探测发生在相当宽的能量或光谱范围内的两个或多个微观物理、化学和生物过程，并在超快时间尺度上监测它们的时间演化动态。例如，一个重原子具有复杂分布的多个能级原子状态，而一个分子具有更复杂的能级分布轮廓。这些原子或分子量子态的能级可以分布在相当宽的光谱范围内，从紫外、可见光到近红外波段。当我们只关注两个特定量子态之间的跃迁和原子分子内部的诱导变化时，我们可以使用一个窄带超快飞秒脉冲激光，通过已被充分研究的泵浦-探测技术来激发和探测这种变化的超快时间演化动力学。然而，如果想要激发一系列能级之间的多个跃迁过程，并以超快的时间分辨率探测所诱导的物理和化学变化，就必须使用超宽带、超快飞秒脉冲激光。到目前为止，这种光谱学技术还很不发达。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提供一种单发飞秒脉冲光谱仪。
5.本发明所采用的技术方案是：一种单发飞秒脉冲光谱仪，包光源模块，具有高能量、超宽带、光谱平坦度的白光飞秒激光照明；光栅衍射模块，用于波长分离，所述光栅衍射模块采用600线/毫米，闪耀波长为300nm；ccd探测模块，用于记录光谱强度，所述ccd探测模块的像元尺寸为14*200μm2、并具备从紫外到近红外区域的宽光谱测量范围；所述ccd探测模块与所述光栅衍射模块连接、并用于探测光栅衍射图样并将其输出。
6.对上述方案的进一步改进为，所述光源模块具备光谱大范围覆盖，覆盖范围为385-1080nm，光谱平坦度为3db带宽极宽，达700nm，高脉冲能量为》1mj和高峰值功率。
7.对上述方案的进一步改进为，所述光源模块包括钛宝石飞秒激光器泵浦光源和非线性变频装置。
8.对上述方案的进一步改进为，所述泵浦光源为中心波长为780nm的钛宝石飞秒激光器，输出重复频率1khz、平均功率大于3w、脉宽50fs、单脉冲能量3mj以上；所述非线性变频装置为圆柱状熔融石英玻璃材料和5％mgo掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体组成的级联光学模块。
9.对上述方案的进一步改进为，所述5％mgo掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体的极化周期由公式λ(y)＝λ0/[1+(dgλ0y/2π)]所确定，其中y为泵浦激光的传输方向，λ0为泵浦激光光源的中心波长所对应的倍频过程所需要的极化周期，dg表示啁啾度。
[0010]
对上述方案的进一步改进为，所述5％mgo掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体为z向切割，极化周期为38-22μm，晶体总长度为20mm，厚度为2mm。
[0011]
对上述方案的进一步改进为，所述5％mgo掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体提供了一系列连续的宽带准相位匹配波段，以匹配高脉冲能量的超连续泵浦波段0.72-1.162μm。
[0012]
对上述方案的进一步改进为，所述光源模块在高能量钛宝石飞秒激光器泵浦光源作用于非线性变频装置条件下，激发有效的三阶非线性展宽效应和宽带的二次谐波非线性频率转换，实现覆盖紫外、可见、近红外波段的超宽带、超连续、光谱平坦高的白光飞秒激光的产生。
[0013]
对上述方案的进一步改进为，所述光栅衍射模块用于将紫外、可见、近红外波段超宽谱激光经过被测物质后进行波长衍射分离，并将被测物质吸收后的光谱传输至所述ccd探测模块，从而更准确地测定光的波长。
[0014]
对上述方案的进一步改进为，所述光栅衍射模块与ccd探测模块组成一测量模块，所述测量模块包括第一透镜和第二透镜。
[0015]
对上述方案的进一步改进为，所述第一透镜设置于被测物质吸收后的白光光谱的传输路径上，用于将经过被测物质的所述超宽带白光飞秒激光转化为平行出射光照射到所述光栅衍射模块上。
[0016]
对上述方案的进一步改进为，所述第二透镜设置于所述光栅衍射模块的出光路径上，用于将衍射光栅出射的白光激光光谱聚焦于所述的cd探测模块上。
[0017]
对上述方案的进一步改进为，还包括利用16-bit分辨率的数字模拟转换器转换从ccd探测模块接收到的信号，最后，在信号积分时间小于30μs的情况下，测量得到每个经过被测物质的信号光的单发传输谱。
[0018]
本发明的有益效果是：
[0019]
1.本发明的单发飞秒脉冲激光光谱仪的照明光源模块方案中，通过有意地操纵由熔融石英和特殊设计的cppln样品组成的级联非线性光学变频模块的整体非线性响应，能够产生覆盖紫外-可见-近红外波段的超连续白光飞秒激光，这使得单发脉冲光谱仪的照明光源具有宽频带、高平坦度(3db带宽～700nm)、光谱均匀性好、高脉冲能量(高达1.07mj)、高平均功率和峰值功率、100fs量级的超短脉冲持续时间、高时空相干性等卓越特性。
[0020]
2.本发明针对单次超快光谱仪超快、超宽频带照明光源，摒弃了常规的光谱逐点扫描方案，自制了具备宽谱范围单次快速摄谱能力的波长分离与检测装置，光谱探测范围从300到1100nm，分辨率为2.5nm，信号积分时间最短为30μs，具备器件尺寸小，摄谱响应范
围宽、响应时间快、适配性广等优点。
[0021]
3.本发明有效地消除了传统步进扫描方法和单色仪结合光探测器等装置普遍存在的光谱信号测量的耗时性以及激光持续照射对样品造成的累积损伤等缺陷。
[0022]
4.本发明的高光通量、极宽的光谱测量范围、高时间分辨率的单发飞秒脉冲光谱装置可以应用于原子、分子和光学物理、凝聚态物理、分析化学、物理化学、分子和细胞生物学、材料科学等基础科学领域以及电子、光电子、量子通信、环境监测、医疗诊断、前沿光谱成像等高科技领域。
附图说明
[0023]
图1为本发明单发飞秒脉冲光谱仪一个实施例中的白光激光照明光源产生的实验光路图；
[0024]
图2为实施例中啁啾周期极化铌酸锂晶体的倒格矢分布图，其中纵坐标为有效的非线性系数，横坐标为倒格矢的数值；
[0025]
图3本发明一个实施例中单发飞秒脉冲光谱仪的光源模块中泵浦近红外飞秒脉冲激光的光谱分布图、经过熔融石英玻璃材料的输出光谱分布图以及非线性变频器利用二阶和三阶非线性效应的协同作用产生的超连续、超宽带白光光谱分布图；
[0026]
图4为发明一个实施例中单发飞秒脉冲激光光谱仪的结构示意图。
具体实施方式
[0027]
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
[0028]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
[0029]
如图1～图4所示，在本发明的一个实施例中，提供一种基于高能量、超宽带、光谱平坦度高的白光飞秒激光照明光源构建的单发飞秒脉冲光谱仪装置，包括高能量、超宽带、光谱平坦度高的白光飞秒激光照明光源模块、用于波长分离的光栅衍射装置和用于记录光谱强度的ccd探测器模块。其中，高能量、超宽带、光谱平坦度高的白光飞秒脉冲激光光源模块，包含由熔融石英材料和5％mgo掺杂的啁啾极化铌酸锂组成的级联非线性变频装置，能够产生具备光谱大范围覆盖(385-1080nm)，光谱平坦度高(3db带宽极宽，约达700nm)，高脉冲能量(》1mj)和高峰值功率，高时空相干性，光谱准直性好和均匀性好等卓越特性；光栅衍射装置，采用600线/毫米，闪耀波长为300nm，采用了较小的光栅间距(1.6μm)和+1级衍射模式，以减少衍射级的混合；ccd探测器模块，具备从紫外到近红外区域(300-1100nm)的宽光谱响应范围，分辨率为2.5nm，信号积分时间最短为30μs。
[0030]
本实施案例中，单发飞秒脉冲激光光谱仪的高能量、超宽带、光谱平坦度高的白光飞秒脉冲激光光源的产生由钛宝石飞秒泵浦激光器和非线性变频器两部分组合而成。其中非线性变频器包括圆柱状熔融石英和5％mgo掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体材料。首先，
使用尺寸为25mm
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8mm的熔融石英产生第一级的泵浦超连续激光光源。钛宝石飞秒激光器输出中心波长780nm、重复频率为1khz的持续时间为50fs的脉冲，对应的脉冲全宽半峰值带宽约为45nm，设置的激光器平均功率为3w，每脉冲能量为3mj。需要注意的是，其重复频率可以自由调节到1hz(每秒一次)，也可以直接设置为不重复的单发模式，继而作为单发飞秒脉冲激光光谱仪的第一级泵浦激发光源。钛宝石激光束通过f＝100mm的熔融二氧化硅透镜聚焦到8mm厚的熔融二氧化硅上，从而产生显著的光谱展宽。通过聚焦条件监测熔融石英的三阶非线性光谱展宽的输出光束廓线和能量功率，使其牢固地贴合cppln晶体的非线性频率上转换过程。然后，用聚焦光斑大小约为2mm的f＝30mm熔融石英透镜将基波超连续激光聚焦在z切割cppln的抛光前表面，最终实现超宽带白光激光光源的产生。图1示出了本实施例中通过泵浦光源和非线性变频器协同作用下，实现单发飞秒脉冲激光光谱仪装置的光谱大范围覆盖(紫外-可见-近红外波段)、完全相干的mj量级超连续白光激光照明光源产生的实验光路图。
[0031]
本实施例中，采用的5％mgo掺杂的啁啾非线性铌酸锂晶体，采用一种有效的非线性系数模型，从准相位匹配的可用性和能量转换效率两个方面对设计的cppln样品进行定性分析。cppln晶体的极化周期由公式λ(y)＝λ0/[1+(dgλ0y/2π)]所确定，其中y为所述泵浦激光的传输方向。在实验中，当初始周期为38μm，啁啾率为6μm-2，负畴宽度为15μm时，设计的cppln晶格间距从38μm减小到22μm。样品的总长度约为20mm。此cppln晶体提供了一系列连续的宽带准相位匹配波段，以匹配高脉冲能量的超连续泵浦波段(0.72-1.162μm)。其中，本实施案例中，基于熔融石英产生的超连续激光脉冲在短波长部分比在长波长部分强得多，因此特意设计cppln晶体包含有效非线性系数较低的高阶倒格矢波段，以促进短波长泵浦激光(约720-900nm)的二次谐波转换过程。这种独特的方案将通过一系列级联宽带准相位匹配过程实现cppln样品中高效、平衡的二次谐波转换过程，并最终确保明亮且平坦的紫外-可见-近红外(3db带宽，约385-1080nm)超宽带白光飞秒激光的实现。图2示出了本实施例中的5％mgo啁啾非线性光子晶体的设计示意图。
[0032]
本实施案例中，单发飞秒脉冲激光光谱仪的高能量、超宽带、光谱平坦度高的白光飞秒脉冲激光光源模块所使用的钛宝石泵浦激光的中心波长为780nm(输出波长范围为750-850nm)，输出重复频率1khz、平均功率大于3w、单脉冲能量3mj以上、脉宽50fs的近红外飞秒脉冲激光，具有短脉宽，高能量，光斑质量良好等特点。非线性变频装置中经过熔融石英玻璃材料的三阶非线性作用能够有效展宽泵浦光源的光谱范围，并且短波长部分比在长波长部分强得多(主要集中于720-900nm)，促使更多高能量光谱频率成分参与到下一级的cppln晶体的非线性频率上转换过程，最终通过二阶和三阶的高效协同作用实现覆盖紫外-可见至近红外波(385-1080nm)，同时光谱平坦度极高(3db带宽极宽，约达700nm)的高能量、超宽带、光谱平坦度高的白光激光光源的产生。图3示出了三种不同非线性过程下对应的光谱分布变化图。
[0033]
参阅图4示出了本实施案例的单发飞秒脉冲激光光谱仪装置的整体构造图。首先，利用非线性变频器产生的3db带宽约700nm(385～1080nm)、脉冲能量1.07mj、脉冲持续时间100fs量级的超连续白光激光光源作为单发光谱仪的超宽带照明光源。单发超宽带白光飞秒激光脉冲经两块涂有紫外铝膜的石英反射镜反射后，通过聚焦透镜(f＝40mm)穿过原子或分子样品，经由光谱采集系统进行光谱检测。在光栅衍射装置的宽带设计中，我们使用较
小的光栅间距(1.6μm)和正一级衍射模式，能够有效减衍射级的混合。整个信号检测系统由几个基本要素组成:(i)一块f＝10mm的凹面镜，将透射光准直到(ii)一个规则的反射衍射光栅(600线/毫米，闪耀波长为300nm)，(iii)另一块f＝10mm的凹面镜(两个凹面镜都涂有300-1100nm范围内的高反射涂层)，将衍射信号聚焦到(iv)一个线阵ccd探测器(hamamatsu,s11639)，其像元尺寸为14
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200μm2，有2048个像元(有效光敏长度为28.672mm)，光谱响应范围为300～1100nm，分辨率约为2.5nm。然后将线阵ccd采集到的数据发送到(v)一个16bit分辨率的数模转换器，最后，在信号积分时间最低可达30μs的高速宽带测谱条件下测量信号激光的单次传输谱，实现原子或分子水平的多种物质或材料的超快、超宽带光谱分析。
[0034]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。