一种测量放大受激发射特性的瞬时光谱系统

1.本发明属时间分辨非线性光学光谱领域，具体涉及一种测量放大受激发射特性的瞬时光谱系统。


背景技术：

2.在光的作用下，基态和激发态之间会发生三个过程：吸收，受激辐射和自发辐射。对于受激发射，是介于激光和自发辐射光之间的一种过渡状态，是所有激光系统中固有的，当粒子数反转时，自发辐射的光子诱导更多的激发态向基态跃迁，从而实现放大自发辐射。粒子数反转一般在多能级系统的样品中更容易实现，拿三能级举例，激发光将电子从基态激发到激发态能级上，激发态能级寿命较短，电子会在极短时间内弛豫到亚稳态能级，于是亚稳态能级与基态能级实现粒子数反转，此时在一个能量大小为亚稳态能级与稳态能级能量差的光子(大小与自发辐射光子相同)作用下，电子从亚稳态能级跃迁至基态能级，放出第二个相同能量的光子，之后这两个光子继续作用激发出更多相同的光子，这种“雪崩式”的受激辐射产生的光子，它具有和激光相似的性质，但不具有真正激光的相干性，之后引入谐振反馈等方式便可以变成真正的激光。故探究有潜力做激光谐振腔的材料成为研究热点之一，材料的受激发射特性的研究也越来越多。
3.2014年钙钛矿薄膜中的低阈值和稳定室温放大自发辐射首次被报道，之后大量研究探索了薄膜和低维材料的放大自发辐射和激光，并降低了阈值和提高了增益。一般常见的研究方法是使用一束连续激光器发射连续激光，经过柱面透镜之后变为条状光对材料进行激发的方法来研究材料的放大自发辐射特性，尤其是材料产生放大自发辐射特性的阈值问题。基于放大自发辐射这一原理，我们开发了一套新系统，使用一束可调激光诱导辐射来代替自发辐射光子去激发出更多的光子，将放大自发辐射变为放大受激辐射。系统使用两束具有超短脉冲的飞秒激光，第一束激光将样品激发到高能态，处在高能态的粒子会随时间向其他能级跃迁，第二束激光与第一束以不同的时间间隔到达样品进行扰动，可以获得不同强度的受激发射信号，最终测得受激发射相关的动力学信息。此外两束激光的激发频率，激发功率等方面也可以进行调节；通过光学参量放大器可以调节激发光频率，激发功率可以通过衰减片等进行调节，探究频率与功率为多少时放大自发辐射现象出现，这样更加细致，明晰地研究材料的放大受激发射性质。通过调节两束激光之间的相对时间，获得不同强度的放大受激发射信号，最终测得放大受激发射相关的动力学信息。


技术实现要素：

4.本发明提供一种测量放大受激发射特性的瞬时光谱系统，利用两束飞秒光，一束用于激发，一束用于扰动，探究光纤内溶液样品或薄膜样品的放大受激发射阈值条件。
5.本发明采取的技术方案是，由泵浦激光产生及调节部分ⅰ、扰动激光产生及调节部分ⅱ和待测样品激发及信号收集部分ⅲ组成；泵浦激光产生及调节部分ⅰ、扰动激光产生及调节部分ⅱ和待测样品激发及信号收集部分ⅲ中除光谱仪，示波器，锁相放大器和计算机
外都置于同一光学平台上；扰动激光产生及调节部分ⅱ位于泵浦激光产生及调节部分ⅰ的后右前方，半包围泵浦激光产生及调节部分ⅰ；待测样品激发及信号收集部分ⅲ位于泵浦激光产生及调节部分ⅰ和扰动激光产生及调节部分ⅱ的前左方，泵浦激光产生及调节部分ⅰ的分束片与扰动激光产生及调节部分ⅱ的全反镜四通过光路相连；待测样品激发及信号收集部分ⅲ的二向色镜一位于泵浦激光产生及调节部分ⅰ中的四分之一波片一的前方，且二向色镜一与四分之一波片一位于同一水平中心线上，四分之一波片一与二向色镜一通过光路相连；待测样品激发及信号收集部分ⅲ的二向色镜一位于扰动激光产生及调节部分ⅱ中的全反镜八的左方，且二向色镜一与全反镜八位于同一水平中心线上，全反镜八与二向色镜一通过光路相连；泵浦激光产生及调节部分ⅰ的电控位移台信号输出端口b、斩波器信号输出端口a分别与待测样品激发及信号收集部分ⅲ的计算机信号输入端口o、锁相放大器信号输入端口k通过电缆相连，泵浦激光产生及调节部分ⅰ的飞秒激光器信号输出端口c分别与待测样品激发及信号收集部分ⅲ的示波器信号输入端口d和ccd信号输入端口h通过电缆相连。
6.本发明所述泵浦激光产生及调节部分ⅰ由飞秒激光器、分束片、光学参量放大器一、全反镜一、电控位移台、斩波器、全反镜二、全反镜三、格兰棱镜一和四分之一波片一组成，其中电控位移台设有输出端口b，斩波器设有输出端口a；飞秒激光器、分束片、光学参量放大器一、全反镜一自左至右顺序排列；电控位移台、斩波器、全反镜二和全反镜一自前至后顺序排列；全反镜三、格兰棱镜一和四分之一波片一自后至前顺序排列、且全反镜三、格兰棱镜一和四分之一波片一位于同一水平中心线上。
7.本发明所述的分束片为9：1分束片，可使透射和反射的光强度比例为9：1。
8.本发明所述扰动激光产生及调节部分ⅱ由全反镜四、光学参量放大器二、全反镜五、全反镜六、全反镜七、格兰棱镜二、四分之一波片二和全反镜八组成，其中全反镜四、光学参量放大器二和全反镜五自左至右排列，全反镜四、光学参量放大器二和全反镜五位于同一水平中心线上；全反镜六位于全反镜五前方，全反镜七位于全反镜六的左方；全反镜七、格兰棱镜二、四分之一波片二和全反镜八自前至后排列，全反镜七、格兰棱镜二、四分之一波片二和全反镜八位于同一水平中心线上。
9.本发明所述待测样品激发及信号收集部分ⅲ由二向色镜一、全反镜九、可移动式光路面板a和可移动式光路面板b、光谱仪、示波器、锁相放大器和计算机组成，其中全反镜九位于二向色镜一的前方、且位于同一水平中心线上；所述光谱仪包含光电倍增管和ccd；所述光电倍增管设有信号输出端口q、信号输出端口g；ccd设有信号输入端口h、信号输出端口i；示波器设有信号输入端口d、信号输出端口e、信号输入端口f；锁相放大器设有信号输入端口j、信号输出端口l、信号输入端口k；计算机设有信号输入端口m、信号输入端口n、信号输入端口o、信号输入端口p；所述光电倍增管信号输出端口q与锁相放大器信号输入端口j连接；光电倍增管信号输出端口g与示波器信号输入端口f连接；ccd信号输出端口i与计算机信号输入端口m连接；示波器信号输出端口e与计算机信号输入端口n连接；锁相放大器信号输出端口l与计算机信号输入端口p连接。
10.本发明所述可移动式光路面板a由物镜一、光纤或毛细管等管状微腔、物镜二和二向色镜二组成，物镜一、光纤或毛细管等管状微腔、物镜二和二向色镜二由右向左排列，且物镜一、光纤或毛细管等管状微腔、物镜二和二向色镜二位于同一水平中心线上。
11.本发明所述可移动式光路面板b由柱面镜、凹面镜、样品台、透镜、滤光片和全反镜十组成，其中柱面镜、凹面镜和样品台自右向左排列，且柱面镜、凹面镜垂直于样品台排列；样品台、透镜、滤光片和全反镜十自后向前排列、且样品台、透镜、滤光片和全反镜十位于同一水平中心线上。
12.本发明优点是利用一束飞秒激光对光纤内溶液样品的一端或薄膜样品的一侧进行激发，另一束飞秒激光经过一定延迟时间在同方向辐照样品，对样品进行扰动，来探究能使样品产生放大受激发射的阈值条件以及各种扰动因素。其中激发光束波长可以通过 topas调节，在其他条件不变的情况下，探究能够产生放大受激发射的阈值波长；激发光功率可以通过使用衰减片等方式进行调节，探究能够产生放大受激发射的最小功率 (激光光强)；在第一束激光激发样品到达高能级之后，通过电控位移台，可以调节两束光的延迟时间，使用第二束光对样品进行扰动，探究能够产生放大受激发射的延迟时间范围；本发明同时在两束光路上放置了可拆卸的偏振装置，可将激光变为圆偏振光，可针对一些有潜力的手性材料进行研究。还有多种放大受激发射特性研究方法可以通过本系统实现，使用本系统能够更全面，更深刻得探究多样物质的放大受激发射特性。
附图说明
13.图1是本发明的系统结构示意图；
14.图2是本发明泵浦激光产生及调节部分ⅰ的结构示意图；
15.图3是本发明扰动激光产生及调节部分ⅱ的结构示意图；
16.图4是本发明待测样品激发及信号收集部分ⅲ的结构示意图。
具体实施方式
17.如图1所示，由泵浦激光产生及调节部分ⅰ、扰动激光产生及调节部分ⅱ和待测样品激发及信号收集部分ⅲ组成；泵浦激光产生及调节部分ⅰ、扰动激光产生及调节部分ⅱ和待测样品激发及信号收集部分ⅲ中除光谱仪31，示波器34，锁相放大器35和计算机36外都置于同一光学平台上；扰动激光产生及调节部分ⅱ位于泵浦激光产生及调节部分ⅰ的后右前方，半包围泵浦激光产生及调节部分ⅰ；待测样品激发及信号收集部分ⅲ位于泵浦激光产生及调节部分ⅰ和扰动激光产生及调节部分ⅱ的前左方，泵浦激光产生及调节部分ⅰ的分束片2与扰动激光产生及调节部分ⅱ的全反镜四11通过光路相连；待测样品激发及信号收集部分ⅲ的二向色镜一19位于泵浦激光产生及调节部分ⅰ中的四分之一波片一10的前方，且二向色镜一19与四分之一波片一10位于同一水平中心线上，四分之一波片一10与二向色镜一19通过光路相连；待测样品激发及信号收集部分ⅲ的二向色镜一19位于扰动激光产生及调节部分ⅱ中的全反镜八18的左方，且二向色镜一19与全反镜八18位于同一水平中心线上，全反镜八18与二向色镜一19通过光路相连；泵浦激光产生及调节部分ⅰ的电控位移台5信号输出端口b、斩波器6信号输出端口a分别与待测样品激发及信号收集部分ⅲ的计算机36信号输入端口o、锁相放大器35信号输入端口k通过电缆相连，泵浦激光产生及调节部分ⅰ的飞秒激光器1信号输出端口c分别与待测样品激发及信号收集部分ⅲ的示波器34信号输入端口d和 ccd33信号输入端口h通过电缆相连。
18.如图2所示，泵浦激光产生及调节部分ⅰ由飞秒激光器1、分束片2、光学参量放大器
一3、全反镜一4、电控位移台5、斩波器6、全反镜二7、全反镜三8、格兰棱镜一9和四分之一波片一10组成，其中电控位移台5设有输出端口b，斩波器6设有输出端口a；飞秒激光器1、分束片2、光学参量放大器一3、全反镜一4自左至右顺序排列；电控位移台5、斩波器6、全反镜二7和全反镜一4自前至后顺序排列；全反镜三 8、格兰棱镜一9和四分之一波片一10自后至前顺序排列、且全反镜三8、格兰棱镜一9和四分之一波片一10位于同一水平中心线上。
19.所述的分束片2为9：1分束片，可使透射和反射的光强度比例为9：1。
20.如图3所示，扰动激光产生及调节部分ⅱ由全反镜四11、光学参量放大器二12、全反镜五13、全反镜六14、全反镜七15、格兰棱镜二16、四分之一波片二17和全反镜八18组成，其中全反镜四11、光学参量放大器二12和全反镜五13自左至右排列，全反镜四11、光学参量放大器二12和全反镜五13位于同一水平中心线上；全反镜六14位于全反镜五13前方，全反镜七15位于全反镜六14的左方；全反镜七15、格兰棱镜二16、四分之一波片二17和全反镜八18自前至后排列，全反镜七15、格兰棱镜二 16、四分之一波片二17和全反镜八18位于同一水平中心线上。
21.如图4所示，待测样品激发及信号收集部分ⅲ由二向色镜一19、全反镜九20、可移动式光路面板a和可移动式光路面板b、光谱仪31、示波器34、锁相放大器35和计算机36组成，其中全反镜九20位于二向色镜一19的前方、且位于同一水平中心线上；所述光谱仪31包含光电倍增管32和ccd33；所述光电倍增管32设有信号输出端口q、信号输出端口g；ccd33设有信号输入端口h、信号输出端口i；示波器34设有信号输入端口d、信号输出端口e、信号输入端口f；锁相放大器35设有信号输入端口 j、信号输出端口l、信号输入端口k；计算机36设有信号输入端口m、信号输入端口n、信号输入端口o、信号输入端口p；所述光电倍增管32信号输出端口q与锁相放大器 35信号输入端口j连接；光电倍增管32信号输出端口g与示波器34信号输入端口f 连接；ccd33信号输出端口i与计算机36信号输入端口m连接；示波器34信号输出端口e与计算机36信号输入端口n连接；锁相放大器35信号输出端口l与计算机36 信号输入端口p连接。
22.本发明所述可移动式光路面板a由物镜一21、光纤或毛细管等管状微腔22、物镜二23和二向色镜二24组成，物镜一21、光纤或毛细管等管状微腔22、物镜二23和二向色镜二24由右向左排列，且物镜一21、光纤或毛细管等管状微腔22、物镜二23和二向色镜二24位于同一水平中心线上。
23.本发明所述可移动式光路面板b由柱面镜25、凹面镜26、样品台27、透镜28、滤光片29和全反镜十30组成，其中柱面镜25、凹面镜26和样品台27自右向左排列，且柱面镜25、凹面镜26垂直于样品台27排列；样品台27、透镜28、滤光片29和全反镜十30自后向前排列、且样品台27、透镜28、滤光片29和全反镜十30位于同一水平中心线上。
24.工作原理：
25.飞秒激光器1输出单脉冲能量较高的飞秒激光脉冲，经过分束片2后分为两束光，其中一束光经过光学参量放大器一3后，作为泵浦光；另一束光经过全反镜四11进入光学参量放大器二12后作为扰动光使用。飞秒激光器1输出的飞秒激光脉冲经过分束片2进入光学参量放大器3，经过全反镜一4、电控位移台5、斩波器6、全反镜二7、全反镜三8、格兰棱镜一9、四分之一波片一10后，经过二向色镜一19透射过的光束作为泵浦光。飞秒激光器1输出的飞秒激光脉冲经过分束片2反射出一束光，经过全反镜四11、光学参量放大器12、全反镜五
13、全反镜六14、全反镜七15、格兰棱镜二 16、四分之一波片二17、全反镜八18，进过二向色镜一19与泵浦光汇合，共同经过全反镜九20进入可移动式光路面板a或b的光路中，其中：
26.可移动式光路面板a用于探究光纤内溶液样品的放大受激发射阈值条件，光纤晶体中吸附待测溶液样品，并将其置于两物镜中间，使其与光路保持水平，激光可进入吸附待测溶液样品的光纤晶体中，且光纤晶体的长度也是可以进行调节的；可移动式光路面板b用于探究薄膜样品的放大受激发射阈值条件，将薄膜样品固定在基底的样品台上，条状光照射在样品表面，在样品的侧面进行信号的收集。光学平台上会固定可吸附磁扣，可移动式光路面板a和b的下面也带有磁扣，与放置在光学平台上的磁扣相吸，即可固定可移动式光路面板a和b。
27.首先，若反射的光进入可移动式光路面板a的光路中，经物镜一21、光纤或毛细管等管状微腔22、物镜二23和二向色镜二24后，经二向色镜二24后扰动光透过，泵浦光被反射，因泵浦光主要的作用是对样品进行激发，激发前和激发后的状态不一样，扰动光经过样品之后，吸收的情况不一样，故对泵浦光不进行探测。透射过的光进入光谱仪31中，通过光电倍增管32信号输出端口g与示波器34信号输入端口f连接，在示波器34的显示界面上可观察到信号的强弱；通过ccd 33信号输出端口i与计算机 36信号输入端口m连接，在电脑显示屏上可观察到光纤内溶液样品的受激发射。
28.其次，若反射的光进入可移动式光路面板(b)的光路中，经柱面镜25和凹面镜 26的组合可以获得细长的条状光斑垂直的照射到样品台27薄膜样品的一端，在样品侧面出来的光经过透镜28、滤光片29和全反镜十30的反射后，进入单色仪31，通过光电倍增管32信号输出端口g与示波器34信号输入端口f连接，在示波器34的显示界面上可观察到信号的强弱；通过ccd 33信号输出端口i与计算机36信号输入端口m 连接，在电脑显示屏上可观察到薄膜样品的受激发射。
29.实验参数
[0030][0031]
本发明主要是利用一束飞秒激光在光纤内溶液样品或薄膜样品的一测进行激发，另一束飞秒激光经过一定延迟时间在同方向辐照样品，对样品进行扰动，来探究能使样品产生放大受激发射的阈值条件以及各种扰动因素。通过改变各种条件(如激发光束频率、激发光功率、调节两束光的延迟条件等)，可以探究能够产生放大受激发射的阈值波长、最小功率(激光光强)、延迟时间范围等。同时，本系统在两束光路上放置了可拆卸的偏振装置，用于将激光变为圆偏振光，可针对一些有潜力的手性材料进行研究。还有多种放大受激发
射研究方法可以通过本系统实现，使用本系统能够更全面，更深刻的探究多样物质的放大受激发射特性。