本实用新型专利技术公开了一种快速超高分辨瞬态吸收光谱测量装置，包括：锁模光纤光梳系统，用于产生泵浦光、探测光和本振光；光功率放大单元，用于对锁模光纤光梳系统输出的泵浦光、探测光和本振光的光脉冲进行功率放大；非线性变频单元，采用连续谱技术实现宽谱范围内连续拓展的光梳频率产生；双异步光采样单元，用于进行泵浦光与探测光、本振光与经过样品的泵浦光和探测光的双异步光采样；光电探测单元，用于采集干涉信号的强度信息；数据采集与处理单元，通过电学低通滤波器和高速度数字采集卡完成干涉信号采集与处理。本实用新型专利技术可以提高瞬态光谱信号采集速度。态光谱信号采集速度。态光谱信号采集速度。
【技术实现步骤摘要】
一种快速超高分辨瞬态吸收光谱测量装置
[0001]本技术涉及瞬态吸收光谱
，更具体地说，特别涉及一种快速超高分辨瞬态吸收光谱测量装置。
技术介绍
[0002]飞秒泵浦—探测是当前最重要的时间分辨瞬态光谱技术，可以直接测量光能或者电能激励下材料中电子空穴对被激发、弛豫、分离、转移、扩散以及复合等超快物理过程，为新型高速高效纳米光电子器件的制备提供了重要的理论依据和指导，也是持续发现新现象和揭示新机制的关键所在。飞秒泵浦—探测的技术原理是：采用一束能量密度较高的超快飞秒激光作为泵浦光改变样品的物理状态，再用另一束与泵浦光同源而能量密度较低的超快飞秒激光探测样品所处的物理状态。根据所探测的材料物理量，泵浦
‑
探测技术可以有多种实现方式，如吸收光谱、荧光光谱等。瞬态吸收光谱技术是其中最经典的一种，其基本工作原理是：泵浦光脉冲近垂直入射样品材料，产生从基态到激发态能级的电子跃迁；探测光入射到样品同一区域，由于泵浦光激发的光生产物占据了部分激发态能级，样品对探测光吸收减弱，透射率或反射率产生相应变化，在相对泵浦激光脉冲的不同延迟时间上探测激发态能级上的粒子数随时间的演变过程。通常，飞秒泵浦—探测系统由飞秒固体激光器(提供泵浦脉冲和探测脉冲)、机械延迟单元、样品盒、光电探测器、锁相放大器等组成。通过改变两束光的光程差来实现时间延迟。在引入延时采样技术后，时间分辨率由两个脉冲的宽度决定，而与探测器的时间常数无关，因而飞秒泵浦—探测技术可以在飞秒、皮秒尺度上研究不同光谱信号的瞬态特征。根据检测光源不同，瞬态吸收光谱可分为透射式和反射式泵浦
‑
探测，前者检测透过样品的探测光谱，而后者检测探测光经样品反射后的光谱。
[0003]本质上，光谱提供的信息量取决于光谱能够达到的频率精度、时间精度以及探测灵敏度。同时，光谱获取过程还受限于系统的测量时间，对应工作带宽的倒数。然而，传统飞秒泵浦—探测存在如下共有性技术难题：
①
频率精度差。无论色散型还是干涉型光谱测量仪器的分辨能力，都受限于最大光程差与激光波长之间的比值，频率分辨值通常大于1GHz，分辨精度提升困难，难以观测材料的精细能级结构；
②
测量时间久。由于机械延迟单元工作带宽低(在mHz级别)，导致时间分辨光谱数据采集速度变慢，特别是采集材料的时空分辨二维扫描图时，总测量时间甚至需要按天计算，测试时间长就代表系统对激光器稳定性提出了更高的要求，同时测试的样品也仅限于光热稳定型样品；
③
探测灵敏度低。由于采用非相干的强度探测方法，光谱探测灵敏度不高，测量信噪比低，一般需要采用锁相放大技术提升信噪比，即便如此，信噪比的提升也非常有限，难以满足对微弱光谱信号检测需求，同时锁相放大器导致数据采集速度进一步变慢。
④
不能同时测量振幅谱和相位谱。光场对材料的作用同时体现在介电常数的实部和虚部上，然而单次强度探测只能测量材料的吸收谱(介电常数虚部)，要测量相位谱(介电常数实部)，必须分别对材料的反射谱和吸收谱进行测量，而在先后测量过程中光源和材料的长时间稳定性将面临极大挑战，会造成信号质量的恶化。另外，传统飞秒固体激光器还存在价格昂贵、体积庞大、维护困难等缺点，系统仅局限
于高端实验室科学研究，无法得到大范围推广。
[0004]光学频率梳(简称光梳)是以稳频激光为基础的精密光学频率测量和以飞秒激光为基础的超快光学相结合的产物。技术光频梳的初衷在于为精密频率计量提供新的测量方案，近年来随着技术不断发展，其研究应用逐渐涉及到光谱学相关领域。2019年，T.W.教授在光学顶刊《Nature Photonics》上撰写综述文章指出，各式各样的光梳光谱技术已经成为国际研究前沿和热点，其中双光梳光谱技术无疑是最具革命性的技术进步。双光梳光谱通过对两束光梳脉冲之间的多外差干涉信号进行傅里叶变换得到光谱信息，最大特点在于光谱探测不再需要机械延迟单元，工作带宽可以达到kHz级别，在1s以内就可以完成几百到几千次的光谱探测。此外，双光梳光谱技术是目前唯一可以在紫外到中红外光谱范围内获得梳齿频率分辨能力的宽谱光谱技术，频率精度最高(可达到几十MHz)，适合于各种原子分子动力学的研究。时域上，双光梳光谱表现为异步光采样过程，探测时间窗口大小与光梳重复频率的倒数相同，只要两路光梳的重复频率差满足Nyquist采样定理，就可以灵活选择延时步长；频域上，双光梳光谱表现为多外差相干检测，相比于非相干的强度探测方法而言，其探测灵敏度更高，对微弱光谱信号的探测能力也更加突出。
[0005]可以看出，一方面，传统飞秒泵浦—探测技术存在许多技术不足，急需新的技术革新，高确定性的光梳无疑是光源方面的最佳选择；另一方面，光梳光源本身已经应用于光谱学研究，双光梳光谱技术作为最新、最具革命性的光谱技术，在频率精度、测量时间和灵敏度方面都具有不可替代的优势。
[0006]2016年，日本K.Minoshima教授研究组将双光梳光谱技术与泵浦—探测技术结合，证明了近红外波段的超快时间分辨瞬态吸收光谱测量系统，他们采用了两束光纤光梳光源：其中一束光梳被分出一部分作为泵浦光，另一部分通过机械延迟后作为探测光；另一束重复频率不同的光梳作为本振光，与经过材料后的探测光梳进行多外差相干检测。该工作研究了半导体材料铟镓砷在波长1560nm附近的瞬态复吸收谱信息(相干检测可以同时获得振幅谱和相位谱)，并强调引入双光梳光谱后系统采集速度得到了明显提升。由于泵浦光梳与探测光梳来源于同一光梳，它们重复频率相同，系统采用了机械延迟单元，在延时测量指标上没有优势。2018年，韩国M.Cho教授研究组报道了利用两束固体光梳光源搭建的瞬态吸收光谱技术，可以同时测量液体分子的瞬态吸收谱和瞬态折射率谱，证明了系统在测试时间、光谱范围、频率精度方面的技术优势。该工作采用两束具有重复频率差异的固体激光光梳光源。不同点在于，他们工作中泵浦光梳与探测光梳之间的延时是由两束光梳重复频率差异产生的异步光采样过程实现的，而探测光梳与本征光梳之间的干涉过程由机械延迟单元实现。
[0007]从上述技术背景可以看出，泵浦—探测技术与光梳光谱技术相结合，既可以解决双光梳光谱技术不能测量瞬态信号的技术局限，又可以克服传统泵浦—探测频率精度差、测量时间久、探测灵敏度低等不足，还能够同时测量振幅谱和相位谱。其能力优势能够推动瞬态吸收光谱向着更加快速、更高精度的方向发展，并且将为科学研究提供许多新视野。然而现有两个验证性工作都是采用两束光梳实现，两束光梳之间只有一个异步光采样过程，这就导致无法同时完成光谱分辨和时间分辨的测量，系统必须仍然包括机械延迟单元。技术资料显示，目前尚无任何关于利用三束高相干光纤光梳光源系统的快速超高分辨瞬态吸收光谱测量装置设计与报道。
技术实现思路
[0008]本技术的目的在于提供一种快速超高分辨瞬态吸收光谱测量装置，以克服现有技术所存在的缺陷。
[0009]为了达到上述目的，本技术采用的技术方案如下：
[001本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种快速超高分辨瞬态吸收光谱测量装置，其特征在于，包括：锁模光纤光梳系统，用于产生泵浦光、探测光和本振光；光功率放大单元，用于对锁模光纤光梳系统输出的泵浦光、探测光和本振光的光脉冲进行功率放大；非线性变频单元，采用连续谱技术实现宽谱范围内连续拓展的光梳频率产生；双异步光采样单元，用于进行泵浦光与探测光、本振光与经过样品的泵浦光和探测光的双异步光采样；光电探测单元，用于采集干涉信号的强度信息；数据采集与处理单元，通过电学低通滤波器和高速度数字采集卡完成干涉信号采集，将采集到的干涉信号调用计算机程序进行处理；所述锁模光纤光梳系统、光功率放大单元、非线性变频单元、双异步光采样单元、光电探测单元和数据采集与处理单元依次连接。2.根据权利要求1所述的快速超高分辨瞬态吸收光谱测量装置，其特征在于，所述锁模光纤光梳系统包括泵浦光梳、探测光梳和本振光梳三台结构相同的光梳系统，所述光梳系统结构包括原子钟、单频激光器，所述原子钟连接单频激光器用于同时锁定三路光梳的载波包络频移，所述单频激光器作为光梳的光学频标锁定重复频率。3.根据权利要求2所述的快速超高分辨瞬态吸收光谱测量装置，其特征在于，所述单频激光器输出的重复频率为100MHz，输出光谱范围为1560
±
20nm。4.根据权利要求2所述的快速超高分辨瞬态吸收光谱测量装置，其特征在于，所述单频激光器采用PDH稳频系统锁频，所述PDH稳频系统包括一个超稳单频激光器、超稳F
【专利技术属性】
技术研发人员：江天，殷科，李思维，邓清辉，许中杰，郑鑫，韦可，郝昊，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：新型
国别省市：
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