一种双光束泵浦-探测的空间不敏感聚焦对准方法及系统技术方案

本发明专利技术属于激光器技术领域，公开了一种双光束泵浦‑探测的空间不敏感聚焦对准方法及系统，通过采用透射式正圆锥镜系统组合缩束系统对泵浦光一路单独进行光束整形；通过设计光束整形系统的参数，获得拥有特定尺寸的中心光斑和扩展焦深的贝塞尔光束；通过在探测光一路使用一个偏振分光棱镜和λ/4波片进行反馈信号的探测；通过插入一个45°的二色镜将探测光与泵浦光同轴的耦合进聚焦透镜，实现焦区的空间重合。本发明专利技术通过光束整形得到的高斯‑贝塞尔光束可保持光束横截面不变，且焦深可以延伸到很长的范围(百微米至毫米)，极大的缓解了泵浦‑探测中对光束在样品表面聚焦对准的严苛的调节要求。

A Spatially Insensitive Focus Alignment Method and System for Dual-Beam Pumping-Detection

The invention belongs to the field of laser technology, and discloses a space-insensitive focusing alignment method and system for dual-beam pumping and detection. The pump beam is shaped separately by using a combined beam reduction system of a transmission orthogonal cone lens system, and the Bessel beam with a specific size central spot and extended focal depth is obtained by designing the parameters of the beam shaping system. By using a polarized beam splitting prism and a quarter-wave plate to detect the feedback signal along the detecting light path, and by inserting a 45 degree dichroic mirror, the detecting light and the pumping light are coaxially coupled into the focusing lens to achieve the spatial coincidence of the focusing area. The Gauss-Bessel beam obtained by beam shaping can keep the cross section of the beam unchanged, and the focal depth can extend to a very long range (from 100 microns to millimeters), greatly alleviating the strict adjustment requirement of the focus alignment of the beam on the sample surface in pump and detection.

【技术实现步骤摘要】
一种双光束泵浦-探测的空间不敏感聚焦对准方法及系统
本专利技术属于激光器
，尤其涉及一种双光束泵浦-探测的空间不敏感聚焦对准方法及系统。具体涉及一种基于光束整形的改进方法。
技术介绍
目前，业内常用的现有技术是这样的：泵浦-探测技术是一种获取超快现象信息的诊断工具，大致原理如下。首先，样品被强的泵浦光脉冲击中(时间零点)后，在样品中产生了某种激发(或修改)。随后弱的探测光脉冲(对激励不产生新的贡献)经过可调节的时间延迟(由光延迟线控制)击中样品，并对其透射或反射信号进行测量。探测信号作为时间延迟的函数，可以获得关于所产生的激励的衰减信息或者由泵浦脉冲激发的其他过程的信息。泵浦-探测技术的时间分辨率原则上仅受泵浦和探测脉冲的脉冲持续时间的限制。以飞秒超短光脉冲为时间精密探针发展起来的泵浦-探测技术被广泛使用于微时间尺度的超快事件的研究中。例如在时间分辨的光谱学中发展出的泵浦-探测光谱技术；微观传热学中，通过泵浦光的瞬时激发以及时间分辨的探针信号可以分辨热传递载流子的相互作用。在激光诱导的材料烧蚀或表面结构化的机理研究方面，可以获悉材料被激发后瞬态光学特性，载流子扩散及其电子(等离子体)的动态响应等。现有技术存在的问题是：在实际光路实现中，往往需要将脉冲聚焦至样品表面以获得足够高的空间分辨率，或产生足够强的激光通量来激发目标，常常面临如下的困难：(1)焦面对准的困难。尤其在需要紧聚焦情况下，光束的聚焦光斑直径一般仅在波长量级，此条件下高斯光束的焦深仅有几个微米，这对样品的表面光洁度以及焦面以及样品表面的精确对准均提出了较高要求。(2)泵浦-探测两光脉冲的焦区在空间重合的困难。时间上的重合可以通过对光源同步(相异光源)外加扫描延时线来实现，但空间上(轴向)的重合将受到两光束发散角、聚焦物镜的残余色差等多方面的影响，对准比较困难。(3)调节相对焦斑大小的困难。在高空间分辨的泵浦-探测研究中，一般要求探测光的焦斑应显著小于泵浦光焦斑，以满足泵浦激发均匀背景的条件。在很多实验中直接利用基频光做泵浦，(二次)谐波做探测光，既可以解决重频抖动的问题，同时可自动满足更小探测焦斑的条件，然而在保证焦区重合的前提下，灵活、独立的调节两者焦斑尺寸的比值仍然比较困难。解决上述技术问题的难度和意义：综上所述，目前技术存在的问题及困难有：(1)样品表面和泵浦光的焦面对准的困难。(2)泵浦-探测两光脉冲的焦区在空间重合的困难。(3)自由调节泵浦-探测光相对焦斑大小的困难。本专利技术通过光束整形技术，对泵浦光实现高斯光束到贝塞尔光束的转变，利用贝塞尔光束的无衍射特性，实现了泵浦光的宽松聚焦对准以及灵活的焦斑大小。针对泵浦-探测两光脉冲的焦区在空间重合的困难，可以通过单独微调探测光一路的偏振分光棱镜和二色镜来解决。这些问题的解决对基于泵浦-探测的研究中减小实验操作难度，提高测量结果精度等均有重要的意义。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种双光束泵浦-探测的空间不敏感聚焦对准方法及系统。本专利技术通过引入光束整形系统来扩展泵浦光束的焦深，从而解决传统泵浦-探测系统中对光束的空间聚焦对准过于严苛以及两光束光斑尺寸比值不易独立调节的问题。本专利技术是这样实现的，一种双光束泵浦-探测的空间不敏感聚焦对准方法，所述双光束泵浦-探测的空间不敏感聚焦对准方法包括：通过采用透射式正圆锥镜系统组合缩束4f系统对泵浦光一路单独进行光束整形；通过设计光束整形系统的参数，获得拥有特定尺寸的中心光斑的和扩展焦深的贝塞尔光束；另外探测光可根据需要亦整形为贝塞尔光束。通过在探测光一路使用一个偏振分光棱镜和λ/4波片进行反馈信号的探测；通过插入一个45°的二色镜将探测光与泵浦光同轴的耦合进聚焦透镜，进行焦区的空间重合。进一步，正圆锥镜系统或改用负锥镜以节省空间。进一步，偏振分光棱镜和λ/4波片用于回收探测信号；在探测器前加装有与探测光波长重合的进一步滤除噪声的窄带滤光片。进一步，二色镜配合偏振分光棱镜进行角度调节，独立校准探测光方向，实现泵浦光和探测光的最佳同轴和焦点重合。进一步，光束整形系统的关键参数相互间关系为：θ1＝arcsin(naxisinα)–α；θ2＝arctan(f1tanθ1/f2)；w2＝f1w1/f2d≈2.405/(ksinθ)；DOF≈w/tanθ；-其中θ1为轴棱锥后所产生的贝塞尔光束的半锥角；-naxi为轴棱锥的材料折射率；-α为轴棱锥的底角大小；-θ2为经过缩束系统之后的贝塞尔光束的半锥角；-f1第一个透镜的焦距，f2聚焦物镜的焦距，缩束系统的比值为f1/f2；-w1为入射高斯光束的有效半径，w2为高斯光束经过缩束系统后的有效半径；-d为贝塞尔光束的中心光斑半径值(第一零点位置)；-k为光束的真空波矢量；-DOF为光束的焦深。本专利技术的另一目的在于提供一种泵浦光的光束整形系统包括：正圆锥镜系统，用来产生松聚焦大光斑尺寸的贝塞尔光束；缩束的4f系统，用来产生光斑缩小到特定尺寸的紧聚焦贝塞尔光束。综上所述，本专利技术的优点及积极效果为：本专利技术通过引入光束整形系统来扩展光束的焦深，从而解决传统泵浦-探测系统中对光束的空间聚焦对准过于严苛以及两光束光斑尺寸比值不易独立调节的问题。本专利技术通过对泵浦光光束整形得到的高斯-贝塞尔光束可保持光束横截面不变，且焦深可以延伸到很长的范围。例如在泵浦光束直径5mm,波长532nm，采用1度底角圆锥镜,配合使用50倍缩束比的4f系统的情况下，获得的微贝塞尔光束的中心光斑大小(半高全宽)约为0.54微米，焦深DOF约为130微米，而同等中心光斑大小情况下，高斯光束的焦深仅为约3.4微米，对泵浦光光束整形后的焦深是整形前的40倍以上，通过选择合适的系统参数甚至可以将光束焦深扩展至毫米量级，这极大的缓解了泵浦-探测中对光束在样品表面聚焦对准的严苛的调节要求。本专利技术可以通过改变轴棱锥底角和缩束系统的缩束比等参数，独立、灵活的调节光束的中心光斑大小，为更好的独立参数研究创造条件。本专利技术进一步优化光束的掩膜相位可以抑制贝塞尔光束的旁瓣以及使光束的轴向光强更加平顶化，对提高泵浦-探测的测量精度有重要意义。附图说明图1是本专利技术实施例一提供的改进的泵浦光的光束整形系统示意图。图中：1飞秒激光器；2、正透镜；3、倍频晶体；4、正透镜；5、双色镜；6、45°反射镜；7、45°反射镜；8、圆锥镜；9、正透镜；10、双色镜；11、聚焦物镜；12、样品；13、45°反射镜；14、一维运动平台；15、回射器；16、调制器；17、四分之一波片；18、偏振分光棱镜；19、窄带滤光片；20、光电探测器。图2是本专利技术实施例二提供的另一种改进的泵浦光的光束整形系统示意图。图中：1、飞秒激光器；2、正透镜；3、倍频晶体；4、正透镜；5、双色镜；6、45°反射镜；7、45°反射镜；8、双色镜；9、圆锥镜；10、正透镜；11、偏振分光棱镜；12、四分之一波片；13、聚焦物镜；14、样品；15、45°反射镜；16、一维运动平台为调制器；17、回射器；18、调制器；19、45°反射镜；20、窄带滤光片；21、光电探测器。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双光束泵浦‑探测的空间不敏感聚焦对准方法，其特征在于，所述双光束泵浦‑探测的空间不敏感聚焦对准方法包括：通过采用透射式正圆锥镜系统组合缩束系统对泵浦光一路单独进行光束整形；通过设计光束整形系统的参数，获得拥有特定尺寸的中心光斑的和扩展焦深的贝塞尔光束；通过在探测光一路使用一个偏振分光棱镜和λ/4波片进行反馈信号的探测；通过插入一个45°的二色镜将探测光与泵浦光同轴的耦合进聚焦透镜，进行焦区的空间重合。

【技术特征摘要】
1.一种双光束泵浦-探测的空间不敏感聚焦对准方法，其特征在于，所述双光束泵浦-探测的空间不敏感聚焦对准方法包括：通过采用透射式正圆锥镜系统组合缩束系统对泵浦光一路单独进行光束整形；通过设计光束整形系统的参数，获得拥有特定尺寸的中心光斑的和扩展焦深的贝塞尔光束；通过在探测光一路使用一个偏振分光棱镜和λ/4波片进行反馈信号的探测；通过插入一个45°的二色镜将探测光与泵浦光同轴的耦合进聚焦透镜，进行焦区的空间重合。2.如权利要求1所述双光束泵浦-探测的空间不敏感聚焦对准方法，其特征在于，正圆锥镜系统产生松聚焦大光斑尺寸的贝塞尔光束后，利用缩束4f系统产生光斑缩小到特定尺寸的紧聚焦贝塞尔光束。3.如权利要求1所述双光束泵浦-探测的空间不敏感聚焦对准方法，其特征在于，偏振分光棱镜和λ/4波片用于回收探测信号；在探测器前加装窄带滤光片，用于与探测光波长重合并进一步滤除噪声。4.如权利要求1所述双光束泵浦-探测的空间不敏感聚焦对准方法，其特征在于，二色镜配合偏振分光棱镜进行角度调节，并独立校准探测光方向，进行泵...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙诗明，
申请(专利权)人：北京长城融智科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11