一种单发飞秒脉冲光谱仪制造技术

本发明专利技术涉及强激光非线性频率转换技术和光谱分析技术领域，具体涉及一种单发飞秒脉冲光谱仪，光源模块，具有高能量、超宽带、光谱平坦度的白光飞秒激光照明；光栅衍射模块，用于波长分离，所述光栅衍射模块采用600线/毫米，闪耀波长为300nm；CCD探测模块，用于记录光谱强度，所述CCD探测模块的像元尺寸为14*200m2、并具备从紫外到近红外区域的宽光谱测量范围；所述CCD探测模块与所述光栅衍射模块连接、并用于探测光栅衍射图样并将其输出。本发明专利技术具有高光通量、极宽的光谱测量范围和提升了百万倍的时间分辨率，以及更高的光谱重现性和可靠性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种单发飞秒脉冲光谱仪


[0001]本专利技术涉及强激光非线性频率转换技术和光谱分析
，具体地说，本专利技术涉及一种利用高能量、超宽带、光谱平坦度高的白光飞秒激光光源构建可用于超快时间尺度、超宽谱范围探测的单发飞秒脉冲激光光谱仪。

技术介绍

[0002]科学家利用光的相互作用来探测、监测、理解、操纵和利用微观的物理、化学和生物世界。携带一些光学信息的输入光(探测光)通过一个微观物体样品，引起光与物质的相互作用，转化为携带改变了的光学信息的输出光(信号光)。通过测量和分析探针与信号光之间携带信息的变化，可以了解微观物体的物理、化学和生物特性。实现这一目的的最简单而强大的方法之一是光学光谱，包括吸收、散射、荧光、拉曼、红外光谱等。所有这些光谱方法都是通过一个叫做光谱仪的仪器来实现的，光谱仪由三个关键部分组成：一个在某个波长范围内具有已知光谱轮廓的照明光源、一个波长分离装置和一个测量信号光光谱轮廓的光电探测器。通过分析信号光与探测光的光谱分布，可以得到内部的物理、化学和生物特性及其在外界影响下的时间演变。这条光谱学路线对许多学科的发展起到了非常重要的推动作用。然而，为了解决基础科学中一些尚未解决的基础问题，光谱学技术还需要进一步发展到更高的水平。
[0003]光谱学技术现存的一个问题是旨在能够同时探测发生在相当宽的能量或光谱范围内的两个或多个微观物理、化学和生物过程，并在超快时间尺度上监测它们的时间演化动态。例如，一个重原子具有复杂分布的多个能级原子状态，而一个分子具有更复杂的能级分布轮廓。这些原子或分子量子态的能级可以分布在相当宽的光谱范围内，从紫外、可见光到近红外波段。当我们只关注两个特定量子态之间的跃迁和原子分子内部的诱导变化时，我们可以使用一个窄带超快飞秒脉冲激光，通过已被充分研究的泵浦
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探测技术来激发和探测这种变化的超快时间演化动力学。然而，如果想要激发一系列能级之间的多个跃迁过程，并以超快的时间分辨率探测所诱导的物理和化学变化，就必须使用超宽带、超快飞秒脉冲激光。到目前为止，这种光谱学技术还很不发达。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本专利技术提供一种单发飞秒脉冲光谱仪。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是：一种单发飞秒脉冲光谱仪，包光源模块，具有高能量、超宽带、光谱平坦度的白光飞秒激光照明；光栅衍射模块，用于波长分离，所述光栅衍射模块采用600线/毫米，闪耀波长为300nm；CCD探测模块，用于记录光谱强度，所述CCD探测模块的像元尺寸为14*200μm2、并具备从紫外到近红外区域的宽光谱测量范围；所述CCD探测模块与所述光栅衍射模块连接、并用于探测光栅衍射图样并将其输出。
[0006]对上述方案的进一步改进为，所述光源模块具备光谱大范围覆盖，覆盖范围为385
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1080nm，光谱平坦度为3dB带宽极宽，达700nm，高脉冲能量为>1mJ和高峰值功率。
[0007]对上述方案的进一步改进为，所述光源模块包括钛宝石飞秒激光器泵浦光源和非线性变频装置。
[0008]对上述方案的进一步改进为，所述泵浦光源为中心波长为780nm的钛宝石飞秒激光器，输出重复频率1kHz、平均功率大于3W、脉宽50fs、单脉冲能量3mJ以上；所述非线性变频装置为圆柱状熔融石英玻璃材料和5％MgO掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体组成的级联光学模块。
[0009]对上述方案的进一步改进为，所述5％MgO掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体的极化周期由公式Λ(y)＝Λ0/[1+(D
g
Λ0y/2π)]所确定，其中y为泵浦激光的传输方向，Λ0为泵浦激光光源的中心波长所对应的倍频过程所需要的极化周期，D
g
表示啁啾度。
[0010]对上述方案的进一步改进为，所述5％MgO掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体为z向切割，极化周期为38
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22μm，晶体总长度为20mm，厚度为2mm。
[0011]对上述方案的进一步改进为，所述5％MgO掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体提供了一系列连续的宽带准相位匹配波段，以匹配高脉冲能量的超连续泵浦波段0.72
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1.162μm。
[0012]对上述方案的进一步改进为，所述光源模块在高能量钛宝石飞秒激光器泵浦光源作用于非线性变频装置条件下，激发有效的三阶非线性展宽效应和宽带的二次谐波非线性频率转换，实现覆盖紫外、可见、近红外波段的超宽带、超连续、光谱平坦高的白光飞秒激光的产生。
[0013]对上述方案的进一步改进为，所述光栅衍射模块用于将紫外、可见、近红外波段超宽谱激光经过被测物质后进行波长衍射分离，并将被测物质吸收后的光谱传输至所述CCD探测模块，从而更准确地测定光的波长。
[0014]对上述方案的进一步改进为，所述光栅衍射模块与CCD探测模块组成一测量模块，所述测量模块包括第一透镜和第二透镜。
[0015]对上述方案的进一步改进为，所述第一透镜设置于被测物质吸收后的白光光谱的传输路径上，用于将经过被测物质的所述超宽带白光飞秒激光转化为平行出射光照射到所述光栅衍射模块上。
[0016]对上述方案的进一步改进为，所述第二透镜设置于所述光栅衍射模块的出光路径上，用于将衍射光栅出射的白光激光光谱聚焦于所述的CD探测模块上。
[0017]对上述方案的进一步改进为，还包括利用16
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bit分辨率的数字模拟转换器转换从CCD探测模块接收到的信号，最后，在信号积分时间小于30μs的情况下，测量得到每个经过被测物质的信号光的单发传输谱。
[0018]本专利技术的有益效果是：
[0019]1.本专利技术的单发飞秒脉冲激光光谱仪的照明光源模块方案中，通过有意地操纵由熔融石英和特殊设计的CPPLN样品组成的级联非线性光学变频模块的整体非线性响应，能够产生覆盖紫外
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可见
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近红外波段的超连续白光飞秒激光，这使得单发脉冲光谱仪的照明光源具有宽频带、高平坦度(3dB带宽～700nm)、光谱均匀性好、高脉冲能量(高达1.07mJ)、高平均功率和峰值功率、100fs量级的超短脉冲持续时间、高时空相干性等卓越特性。
[0020]2.本专利技术针对单次超快光谱仪超快、超宽频带照明光源，摒弃了常规的光谱逐点扫描方案，自制了具备宽谱范围单次快速摄谱能力的波长分离与检测装置，光谱探测范围从300到1100nm，分辨率为2.5nm，信号积分时间最短为30μs，具备器件尺寸小，摄谱响应范
围宽、响应时间快、适配性广等优点。
[0021]3.本专利技术有效地消除了传统步进扫描方法和单色仪结合光探测器等装置普遍存在的光谱信号测量的耗时性以及激光持续照射对样品造成的累积损伤等缺陷。
[0022]4.本专利技术的高光通量、极宽的光谱测量范围、高时间分辨率的单发飞秒脉冲光谱装置可以应用于原子、分子和光学物理、凝聚态物理、分析化学、物理化学、分子和细胞生物学、材料科学等基础科学领域以及电子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单发飞秒脉冲光谱仪，其特征在于：包括光源模块，具有高能量、超宽带、光谱平坦度的白光飞秒激光照明；光栅衍射模块，用于波长分离，所述光栅衍射模块采用600线/毫米，闪耀波长为300nm；CCD探测模块，用于记录光谱强度，所述CCD探测模块的像元尺寸为14*200μm2、并具备从紫外到近红外区域的宽光谱测量范围；所述CCD探测模块与所述光栅衍射模块连接、并用于探测光栅衍射图样并将其输出。2.根据权利要求1所述的单发飞秒脉冲光谱仪，其特征在于：所述光源模块具备光谱大范围覆盖，覆盖范围为385
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1080nm，光谱平坦度为3dB带宽极宽，达700nm，高脉冲能量为>1mJ和高峰值功率。3.根据权利要求2所述的单发飞秒脉冲光谱仪，其特征在于：所述光源模块包括钛宝石飞秒激光器泵浦光源和非线性变频装置；所述泵浦光源为中心波长为780nm的钛宝石飞秒激光器，输出重复频率1kHz、平均功率大于3W、脉宽50fs、单脉冲能量3mJ以上；所述非线性变频装置为圆柱状熔融石英玻璃材料和5％MgO掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体组成的级联光学模块。4.根据权利要求3所述的单发飞秒脉冲光谱仪，其特征在于：所述5％MgO掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体的极化周期由公式Λ(y)＝Λ0/[1+(D
g
Λ0y/2π)]所确定，其中y为泵浦激光的传输方向，Λ0为泵浦激光光源的中心波长所对应的倍频过程所需要的极化周期，D
g
表示啁啾度。5.根据权利要求4所述的单发飞秒脉冲光谱仪，其特征在于：所述5％MgO掺杂的啁啾周期极化铌酸锂晶体为z向切割，极化周期为38

【专利技术属性】
技术研发人员：李志远，洪丽红，
申请(专利权)人：广东晶启激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：