一种用于判别正负信号的新型斩波器叶片

1.本发明涉及激光测量领域，具体涉及一种用于判别正负信号的新型斩波器叶片。


背景技术：

2.研究测量样品在受到激发时内部载流子的动力学过程是研究材料超快电荷转移的主要方法，目前主要的研究技术是基于超快激光的时间分辨泵浦-探测技术。
3.图1为时间分辨泵浦-探测系统原理图。
4.如图1所示，两束超短脉冲激光中其中一束激光具有较高能量(一般高于物质的光学带隙)，作为泵浦光(pump)，改变了物质的性质，促使粒子从基态跃迁到非稳定的高能态，利用另一束能量较弱的延时脉冲光(probe)作为探测光，照射到被测样品刚被激发区域。通过调控电动平移台上反射镜的位置来改变两束光到达样品的光程差，可以相应地改变探测光与泵浦光之间的时间延迟。由于被激发的样品处于非平衡态，在回到基态平衡态的过程中，经过样品后的透射光或反射光信号会随之发生变化。因此，利用光信号探测器，如光谱仪和ccd，可记录下不同延迟时刻的光信号，以推理物质发生物理或化学变化的瞬态信息。
5.图2为泵浦探测系统示意图。
6.如2所示，中心波长800nm，脉冲宽度100fs,重复频率1000hz的飞秒激光器发出基频脉冲光，由分束比为1:3的分束镜(beam splitter,bs)分为泵浦光和探测光两束。
7.泵浦光经过电动平移台时，通过调节时间延迟线(delay line)来实现与探测光之间的延时。根据实验时实际样品的需要，在泵浦光路中插入或移除非线性倍频晶体(bbo)，使泵浦光在400nm、800nm两个波长之间转换。接着使用斩波器(chopper)对其进行调制，实现有、无泵浦光的交替，并经衰减片适当衰减后，聚焦到样品表面实现对样品的激发。
8.探测光一路经过透镜被聚焦在一枚蓝宝石晶体(sapphire plate)上，从而产生波长为500nm～1000nm范围的宽谱超连续白光。产生的白光聚焦于样品上，并使probe光和pump光在样品表面达到时间上和空间上的重合。最后，透过样品的探测光携带粒子被激发后的状态信息，通过光谱仪对其中各成分按照不同的波长进行分光，再由光谱ccd探测，从而记录并分析样品经泵浦光作用后从激发态恢复到基态的这一时间演化过程。
9.泵浦探测系统的关键组成部分为光学斩波器，飞秒脉冲激光的基频光具有较高的重复频率(1khz)，相对于样品内部皮秒和纳秒时间尺度下的粒子演化过程来讲，泵浦-探测实验实际上是一组高频重复实验。当未使用chopper调制时，泵浦光和探测光的频率相同，其中的单个事件是以一个泵浦脉冲到达样品时开始，下一个泵浦脉冲到达样品时结束，周期为1ms。
10.图3为泵浦光和探测光脉冲的时间示意图。
11.如图3所示，横轴t为脉冲到达样品的绝对时间。
12.依据瞬态吸收光谱原理，需要探测有泵浦光作用、无泵浦光作用时分别对应的探测信号t
pump on
、t
pump off
，因此需要用chopper来实现泵浦光有无的转换，即调制。实验室原本采用的是thorlabs公司的mc 2000型optical chopper。
13.图4为thorlabs公司mc 2000型optical chopper的示意图。
14.如图4所示，它使用锁相环(phased-locked loop,pll)速度控制器来精确地控制斩波速度，并保证相位与参考信号相一致。该斩波器允许外部参考信号输入，并具有相位调节功能，这一点为系统搭建过程中采用激光器放大级的输出信号作为斩波参考信号来实现同步的脉冲调制且始终维持相位稳定提供了极大的帮助。
15.chopper接收到来自飞秒激光器的1khz的电信号后，以此信号为基准，工作在500hz状态，将泵浦光调制为500hz。
16.图5为斩波器的工作时序示意图。
17.如图5所示，由上至下为探测光、激光电信号、光学斩波器和泵浦光的信号时序。
18.chopper将泵浦光调制为500hz打在样品上，再由探测器照射样品，携带样品内部粒子被激发后的状态信息被光谱仪和ccd所接收。有泵浦光作用时探测光经过样品后的透射光(t
pumped
)与无泵浦光作用时探测透射光(t
unpumped
)将交替排列，而二者的差值相对于透射光强度的相对变化
[0019][0020]
即为所探测的信号。
[0021]
但ccd接收到的信号虽已知为一列交替排列的探测透射光的强度信息，但在使用thorlabs公司的chopper时无法得知数据的起点是有或无泵浦光作用下的探测光强，因此计算得到的差值只能得到正确的绝对值，但信号的正负无法确定。因此急需一种在不改变测量原理和系统的基础上，能够获取探测信号的正负值的方法或设备。


技术实现要素：

[0022]
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种用于判别正负信号的新型斩波器叶片。
[0023]
本发明提供了一种用于判别正负信号的新型斩波器叶片，用于泵浦探测系统中，并安装于斩波器上用于判断光谱信号的正负，具有这样的特征，包括：圆片状主体；中心圆孔，位于圆片状主体的中心位置，用于安装圆片状主体的轴；固定部，包括三个围绕在中心圆孔均匀分布的三个小孔，螺丝钉穿过小孔从而将圆片状主体固定在斩波器的底座上。其中，圆片状主体上设计有扇形形状的镂空和矩形形状的镂空，扇形形状的镂空的数量为多个，均位于固定部外侧并沿圆周方向均匀排列，矩形形状的镂空的数量为复数个，均位于圆片状主体的最外层一周并沿圆周方向均匀排列，扇形形状和矩形形状的镂空用于供斩波器的底座检测圆片状主体的转速并进行负反馈调节，将圆片状主体的转速稳定在设定的频率上。
[0024]
在本发明提供的用于判别正负信号的新型斩波器叶片中，还可以具有这样的特征：其中，圆片状主体的直径为100～104mm。
[0025]
在本发明提供的用于判别正负信号的新型斩波器叶片中，还可以具有这样的特征：其中，中心圆孔的直径为5～7mm。
[0026]
在本发明提供的用于判别正负信号的新型斩波器叶片中，还可以具有这样的特
征：其中，扇形形状的镂空和扇形形状的非镂空的面积比为1：2，扇形形状的镂空的数量为10～16个。
[0027]
在本发明提供的用于判别正负信号的新型斩波器叶片中，还可以具有这样的特征：其中，矩形形状的镂空和矩形形状的非镂空将圆片状主体的外侧圆周等分，矩形形状的镂空和矩形形状的非镂空的面积比为1：1，矩形形状的镂空的数量为10～16个。
[0028]
在本发明提供的用于判别正负信号的新型斩波器叶片中，还可以具有这样的特征：其中，每相邻三个扇形形状的镂空对应相邻四个矩形形状的镂空，位于与矩形形状的镂空相对齐位置的扇形形状的镂空与位于与两个矩形形状的镂空的中间部位相对齐位置的扇形形状的镂空相邻交替设置。
[0029]
在本发明提供的用于判别正负信号的新型斩波器叶片中，还可以具有这样的特征：其中，圆片状主体的材质为铝板，表面做氧化黑色处理以达到遮挡激光的目的。
[0030]
发明的作用与效果
[0031]
根据本发明所涉及的用于判别正负信号的新型斩波器叶片，因为包括：圆片状主体；中心圆孔，位于圆片状主体的中心位置，用于安装圆片状主体的轴；固定部，包括三个围绕在中心圆孔均匀分布的三个小孔，螺丝钉穿过小孔从而将圆片状主体固定在斩波器的底座上。其中，圆片状主体上设计有扇形形状的镂空和矩形形状的镂空，扇形形状的镂空的数量为多个，均位于固定部外侧并沿圆周方向均匀排列，矩形形状的镂空的数量为复数个，均位于圆片状主体的最外层一周并沿圆周方向均匀排列，扇形形状和矩形形状的镂空用于供斩波器的底座检测圆片状主体的转速并进行负反馈调节，将圆片状主体的转速稳定在设定的频率上。
[0032]
此外，由于原斩波器叶片将1khz的泵浦光调制为500hz，使探测光检测的样品信号为受激发(t
pumped
)和未受激发(t
unpumped
)交替排列。经过分析可获得样品的光谱信号，但无法得知哪一组数据是受激发或未受激发的信号，导致无法判断信号正负。
[0033]
所以，本发明的用于判别正负信号的新型斩波器叶片将1khz的泵浦光以另一种方式调制，使探测光携带的样品信号变成一次受激发(t
pumped
)和二次未受激发(t
unpumped
)的信号周期排列，从而可以分析出样品光谱信号的正负，获取正确的瞬态吸收光谱，解决了原先斩波器无法解决的问题。
附图说明
[0034]
图1是现有技术中时间分辨泵浦-探测系统原理图；
[0035]
图2是现有技术中泵浦探测系统示意图；
[0036]
图3是现有技术中泵浦光和探测光脉冲的时间示意图；
[0037]
图4是现有技术中thorlabs公司mc 2000型optical chopper的示意图；
[0038]
图5是现有技术中斩波器的工作时序示意图；
[0039]
图6是本发明的实施例中用于判别正负信号的新型斩波器叶片示意图；
[0040]
图7是本发明的实施例中使用新型叶片后的信号排列方式示意图；
[0041]
图8是本发明的实施例中pbdb-t的瞬态吸收光谱图(单点测量法)；
[0042]
图9(a)、(b)以及(c)分别是本发明的实施例中样品瞬态吸收光谱的三种信号排布情况图；
[0043]
图10是本发明的实施例中pty6在720-1000nm波段测得的三条曲线图；以及
[0044]
图11是本发明的实施例中三条曲线两两做互相关运算得到的曲线图。
具体实施方式
[0045]
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明用于判别正负信号的新型斩波器叶片作具体阐述。
[0046]
本实施例提供了一种用于判别正负信号的新型斩波器叶片。用于泵浦探测系统中，配合电动平移台和光谱ccd，可以获取样品在一段连续波长处的瞬态吸收信号。
[0047]
图6是本实施例中用于判别正负信号的新型斩波器叶片示意图。
[0048]
如图6所示，本实施例的用于判别正负信号的新型斩波器叶片100包括圆片状主体10、中心圆孔20、固定部30、扇形形状的镂空40以及矩形形状的镂空50。
[0049]
圆片状主体10的直径为102mm，材质为铝板，表面做氧化黑色处理以达到遮挡激光的目的。
[0050]
中心圆孔20位于圆片状主体10的中心位置，用于安装圆片状主体10的轴。中心圆孔20的直径为6mm。
[0051]
固定部30包括三个围绕在中心圆孔均匀分布的三个小孔，螺丝钉穿过小孔从而将圆片状主体10固定在斩波器的底座上。
[0052]
圆片状主体10上设计有扇形形状的镂空40和矩形形状的镂空50。
[0053]
扇形形状的镂空40的数量为十个，均位于固定部30外侧并沿圆周方向均匀排列。扇形形状的镂空40和扇形形状的非镂空的面积比为1：2。
[0054]
矩形形状的镂空50和矩形形状的非镂空各有15个且呈交替排列。均位于圆片状主体10的最外层一周并沿圆周方向均匀排列。矩形形状的镂空50和矩形形状的非镂空的面积比为1：1。
[0055]
每相邻三个扇形形状的镂空40对应相邻四个矩形形状的镂空50，位于与矩形形状的镂空50相对齐位置的扇形形状的镂空40与位于与两个矩形形状的镂空50的中间部位相对齐位置的扇形形状的镂空40相邻交替设置。
[0056]
扇形形状的镂空40和矩形形状的镂空50用于供斩波器的底座检测圆片状主体10的转速并进行负反馈调节，将圆片状主体10的转速稳定在设定的频率上。
[0057]
本实施例中，将使用了用于判别正负信号的新型斩波器叶片100的斩波器安装入系统，光谱仪和ccd接收到的信号将不再是t
pumped
和t
unpumped
交替排列，而是以t
pumped
、t
unpumped
、t
unpumped
为一个周期重复排列。样品受激发时与未受激发时的探测透射光有了差别，通过分析这一差别，便可知道信号的排列方式。事实上，信号排列方式根据信号起点不同一共有三种，如果以on表示受激发时的探测透射光，以off表示未受激发时的探测透射光，那么信号排列方式根据起点处的探测透射光是否对应受到激发。
[0058]
图7是本实施例中使用新型叶片后的信号排列方式示意图。
[0059]
如图7所示，信号排列方式有图中三种情况交替排列。
[0060]
以一种已知样品pbdb-t为例，使用装有新型叶片的chopper接入系统进行探测，得到数据后任取一点作为起点，假设起点处的光强信号为t
pumped
，紧接着连续两个为t
unpumped
，这样可以将数据分为三组。对一-二，一-三，二-三组数据使用公式：
[0061][0062]
可以计算出透射光强度的相对变化，将相对变化随波长的变化画图，即可得到可能是样品瞬态吸收光谱的三条曲线。
[0063]
图8是本实施例中pbdb-t的瞬态吸收光谱图(单点测量法)。
[0064]
如图8所示，将三条曲线画在同一张图中，经过简单分析，即可分析得出正确信号。
[0065]
图9(a)、(b)以及(c)分别是本实施例中样品瞬态吸收光谱的三种信号排布情况图。
[0066]
如图9所示，三条曲线在一张图中可能有三种情况，图中只展示了550-720nm波长的部分。
[0067]
第一种情况，第一、二条曲线相同，第三条曲线无信号，那么第一、二条曲线均表示正确信号；第二种情况，第一、三条曲线为相反信号，第二条曲线无信号，那么第三条曲线表示正确信号；第三种情况，第二、三条曲线相同，第一条曲线无信号，那么第二、三条曲线与正确信号相反。如果经过正确实验操作获得的实验数据，那么有且只有这三种情况。
[0068]
如果对三条曲线两两进行一维互相关运算，即：
[0069][0070]
那么当两条曲线相似时，会出现一个很高的相关峰；如果两条曲线信号相反，那么会出现一个负相关峰；如果其中一条曲线无信号，那么互相关结果将会是在零附近波动的曲线。以此可以快速判断三条曲线的相似关系，进而判断正确信号。
[0071]
图10是本实施例中pty6在720-1000nm波段测得的三条曲线图。
[0072]
如图10所示，以样品pty6的720-1000nm波段为例，本实施例中800nm部分由于泵浦光散射影响，信号很差，因此提前对其屏蔽处理。
[0073]
对测得的三条曲线进行互相关运算。
[0074]
图11是本实施例中三条曲线两两做互相关运算得到的曲线图。
[0075]
如图11所示，前三张图分别是无相关峰、负相关峰和正相关峰，经过对三条曲线正负关系的判断，可以得到pty6在720-1000nm波段正确的瞬态吸收光谱信号应当是图11中第四张图。
[0076]
实施例的作用与效果
[0077]
根据本实施例所涉及的用于判别正负信号的新型斩波器叶片，因为包括：圆片状主体；中心圆孔，位于圆片状主体的中心位置，用于安装圆片状主体的轴；固定部，包括三个围绕在中心圆孔均匀分布的三个小孔，螺丝钉穿过小孔从而将圆片状主体固定在斩波器的底座上。其中，圆片状主体上设计有扇形形状的镂空和矩形形状的镂空，扇形形状的镂空的数量为多个，均位于固定部外侧并沿圆周方向均匀排列，矩形形状的镂空的数量为复数个，均位于圆片状主体的最外层一周并沿圆周方向均匀排列，扇形形状和矩形形状的镂空用于供斩波器的底座检测圆片状主体的转速并进行负反馈调节，将圆片状主体的转速稳定在设定的频率上。
[0078]
此外，由于原斩波器叶片将1khz的泵浦光调制为500hz，使探测光检测的样品信号
为受激发(t
pumped
)和未受激发(t
unpumped
)交替排列。经过分析可获得样品的光谱信号，但无法得知哪一组数据是受激发或未受激发的信号，导致无法判断信号正负。
[0079]
所以，本实施例的用于判别正负信号的新型斩波器叶片将1khz的泵浦光以另一种方式调制，使探测光携带的样品信号变成一次受激发(t
pumped
)和二次未受激发(t
unpumped
)的信号周期排列，从而可以分析出样品光谱信号的正负，获取正确的瞬态吸收光谱，解决了原先斩波器无法解决的问题。
[0080]
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。