一种原位低温高压布里渊光谱测量系统

本发明属于光学设备，涉及一种光谱测量系统，特别涉及一种原位低温高压布里渊光谱测量系统。

背景技术：

1、随着高压技术的不断进步，金刚石对顶砧(diamond anvil cell，dac)已经达到了对材料施加数百gpa(1gpa＝109pa，常温常压为1.01×l05 pa，pa：帕斯卡)的极端压力的水平，并为进行原位物理性质测量提供了极好的条件。金刚石本身的透明性为研究者提供了一个在高压环境下进行光学测量的独特窗口，使得能够进行布里渊光谱(brillouinspectra)的测量，以深入了解材料在极端高压条件下的光学行为和结构变化。布里渊散射是光在介质中受到各种元激发的非弹性散射，属于晶体的声学声子和磁振子所引起的非弹性散射，可以通过入射光和散射光的频率差异，得到晶体中的声速等方面的信息，从而分析其结构变化。将布里渊散射与高压技术结合使得人们可以研究在压力作用下物质内部的结构变化，高压布里渊光谱可以给出物质内部的弹性常数等弹性信息的变化，同时也是研究压力引起的结构相变和弹性变化的强有力工具之一。

2、压力和温度都会使物质的弹性性质改变，对于特定材料，高压可以使原子之间的距离缩短而发生电子层之间的相互作用，使得电子结构改变而形成完全不同于常压下物质的化学键，同样除了压力的变化，温度也是会导致物质结构变化的重要诱因，温度改变时，会导致热原子振动改变，使得晶体的能量和体积发生改变。因此温度-压力(p-t)区间经常被讨论，而对于高温高压领域，已经经过了广泛的探讨和发展，无论是在地球科学还是凝聚态物理方面都已经取得了很多的成果，极限的压力和温度不断在突破，然而对于低温高压领域的探索仍然有局限性，但是无论从行星科学应用的角度(例如：冰巨星，木卫二等)，还是对于物理学角度的探索，更低温度更高压力下物质的弹性性质的研究都是必要的。但目前现在对于低温高压下测量最低温度只能达到80k。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是，提供一种原位低温高压布里渊光谱测量系统，可以对低温高压下待测样品进行准确的布里渊光谱测量。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术手段。

3、一种原位低温高压布里渊光谱测量系统，其特征在于，结构按光路顺序有激光器1、布里渊光路系统2、真空高压样品容置系统3、信号采集处理系统4；所述的真空高压样品容置系统3与降温系统5连接；

4、所述的激光器1，用于产生及发射波长为532nm的激光，该激光用于激发布里渊散射；

5、所述的布里渊光路系统2，包括以激光器为开始，经过参考光光路进入信号采集处理系统、经过前向散射光路进入信号采集处理系统、经过背向散射光路进入信号采集处理系统三条光路。所述参考光由分束镜6通过对激光以10％反射产生，进入信号采集处理系统4；所述前向散射光路始于分束镜6，通过分束镜6对激光以90％透射，透过偏振片7、第一半透半反镜8透射、第一反射镜24、第二反射镜25、第三反射镜26、第一聚焦透镜9进入真空高压样品容置系统3，通过激光激发样品产生的前向布里渊散射光经过第二聚焦透镜12聚焦、第七反射镜30、第六反射镜29反射、第三聚焦透镜14聚焦收集，所述布里渊散射光最终垂直射入信号采集处理系统4，此时第二半透半反镜11需被移走，不在信号采集处理系统4收集前向散射光路散射信号的直线上(即第六反射镜29——第三聚焦透镜14——信号采集处理系统4)；背向散射光路始于分束镜6，通过分束镜6的激光以90％透射，透过偏振片7、经第一半透半反镜8反射、第四反射镜27、第五反射镜28反射、第二半透半反镜11反射、第六反射镜29、第七反射镜30反射、第二聚焦透镜12聚焦后进入真空高压样品容置系统3，通过激光激发样品产生的背向布里渊散射光经过第二聚焦透镜12聚焦，第六反射镜29、第七反射镜30反射、第二半透半反镜11透射、第三聚焦透镜14聚焦收集，所述背向布里渊散射光信号垂直射入信号采集处理系统4，由于样品需要提供背向散射的激发激光，此时第二半透半反镜11需复位回信号采集处理系统4收集前向散射光路散射信号的直线上(即第六反射镜29——第三聚焦透镜14——信号采集处理系统4)；

6、所述的真空高压样品容置系统3由低温恒温器18、高压容置装置21、密封低温腔体22、四维平移台23构成；所述低温恒温器18，通过管路20与降温系统5连接，通过循环气路降温，通过电子接头处的加热器和温度计，加热和标定恒温器温度；所述高压容置装置21，为可旋转圆形夹持架，至少用于固定所述金刚石对顶砧以及旋转金刚石对顶砧，所述夹持架的旋转与开合分别通过外置第一电机15、第二电机16控制；所述密封低温腔体22通过螺丝垫圈装配密封金属外壳与腔体从而保证气密性，通过循环气路抽真空保证真空度；预留石英窗17，提供光路通路；

7、所述的信号采集处理系统4为串接多通共聚焦激光布里渊散射光谱仪，将光学信号转换为布里渊频移。

8、所述的降温系统5，至少包含水冷、压缩机、液氦循环装置、真空泵；所述液氦循环装置通过所述水冷、压缩机达到氦气压缩膨胀循环效果，真空泵为循环气路以及真空高压样品容置系统提供真空度。

9、进一步的，所述激光器1输出功率可调节范围为0.01w-2.20w。

10、进一步的，所述的布里渊光路系统2，在测试前需要通过调整四维平移台23，将前散光路的反射光与透射光以及背散光路的透射光与反射光，分别打在第一光阑13与第二光阑10的中心，目的在于通过背散光光斑作为参考光路，确保散射角度的准确性。

11、进一步的，所述的布里渊光路系统2中，在测量前向散射的时候，分光镜11处于信号采集处理系统4收集前向散射光路散射信号的直线上确认散射角度，收集散射信号时，将分光镜11移出信号采集处理系统4收集前向散射光路散射信号的直线；在测量背向散射的时候，分光镜11处于信号采集处理系统4收集前向散射光路散射信号的直线上，收集散射光的时候需要通过分光镜11透射收集。

12、进一步的，在布里渊光路系统2中的第一反射镜24、第二反射镜25、第三反射镜26、第四反射镜27、第五反射镜28、第六反射镜29、第七反射镜30的作用为调整光路，控制收集散射光的时候路径均为锐角，避免收集到杂散光。

13、进一步的，所述信号采集处理系统4的串接多通共聚焦激光布里渊散射光谱仪型号为tfp-2hc。

14、本发明的有益效果：

15、1、本发明提供一种提供了可以最低达到约10k温度下的高压布里渊测量系统，可以对待测样品进行准确的低温高压布里渊光谱测量。

16、2、本发明提供的真空高压样品容置装置，可以达到更低的温度的同时保护金刚石。

17、3、本发明的背散光路可以作为前散光路的角度校准，保证测量数据的准确性。

18、4、本发明的光路通过控制反射角度为锐角可以对杂散光进行简单的抑制，保证信噪比。

19、5、根据本发明提供的低温高压布里渊光谱系统，实现了更低温度下的高压布里渊散射信号测量，可以用于对极端条件下的行星科学的探索，以及基础物理层面的研究。