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二维光谱装置.pdf

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二维 光谱 装置
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摘要
申请专利号:

CN201510535266.0

申请日:

2015.08.27

公开号:

CN106483076A

公开日:

2017.03.08

当前法律状态:

实审

有效性:

审中

法?#19978;?#24773;: 实质审查的生效IPC(主分类):G01N 21/25申请日:20150827|||公开
IPC分类号: G01N21/25 主分类号: G01N21/25
申请人: 中国科学院物理研究所
发明人: ?#28010;? 王专; 翁羽翔
地址: 100190 ?#26412;?#24066;海淀区中关村南三街8号
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: ?#26412;?#27867;华伟业知识产权代理有限公司 11280 代理人: 王勇;李科
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法律状态
申请(专利)号:

CN201510535266.0

授权公告号:

|||

法律状态公告日:

2017.04.05|||2017.03.08

法律状态类型:

实质审查的生效|||公开

摘要

本发明提供了一种二维光谱装置,包括第一分束片,用于将入射到第一分束片上的光分成第一入射光和第二入射光;第一反射装置,用于将第一入射光沿第一方向反射从而获得第三入射光;第二反射装置,用于将第二入射光沿第二方向反射从而获得与第三入射光非共面的第四入射光;第二分束片,用于将第四入射光分成沿第一方向的第一光束和沿第二方向的第二光束,以及用于将第三入射光分成沿第二方向的第三光束和沿第一方向的第四光束;聚焦装置;第三反射装置,用于将第一光束至第四光束沿相同方向入射到聚焦装置上;以及调节装置,用于调节第一光束和第二光束入射到聚焦装置的时间间隔。本发明的二维光谱装置对光的损耗小,装置简单、质量轻和体积小。

权利要求书

1.一种二维光谱装置,其特征在于,包括:
第一分束片,用于将入射到所述第一分束片上的光分成第一入射光和
第二入射光;
第一反射装置,用于将所述第一入射光沿第一方向反射从而获得第三
入射光;
第二反射装置,用于将所述第二入射光沿第二方向反射从而获得与所
述第三入射光非共面的第四入射光;
第二分束片,用于将所述第四入射光分成沿所述第一方向的第一光束
和沿所述第二方向的第二光束,以及用于将所述第三入射光分成沿所述第
二方向的第三光束和沿所述第一方向的第四光束;
聚焦装置;
第三反射装置,用于将所述第一光束至第四光束沿相同方向入射到所
述聚焦装置上;以及
调节装置,用于调节所述第一光束和第二光束入射到所述聚焦装置的
时间间隔。
2.根据权利要求1所述的二维光谱装置,其特征在于,所述第三反
射装置用于将所述第一光束至第四光束沿所述聚焦装置的光轴反射到所
述聚焦装置上,且使得所述第一光束的光程等于所述第二光束的光程。
3.根据权利要求2所述的二维光谱装置,其特征在于,所述第三反
射装置包括:
第一反射镜,用于将所述第二光束和第三光束沿所述聚焦装置的光轴
反射到所述聚焦装置上;以及
第二反射镜和第三反射镜,用于将所述第一光束和第四光束沿所述聚
焦装置的光轴反射到所述聚焦装置上。
4.根据权利要求3所述的二维光谱装置,其特征在于,所述聚焦装
置的光轴平行所述第一方向,所述第二反射镜和第三反射镜平行。
5.根据权利要求3所述的二维光谱装置,其特征在于,所述调节装
置包括位于所述第一光束的光路上的第一光楔对和/或位于所述第二光束
的光路上的第二光楔对。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的二维光谱装置,其特征在于,
所述第二反射装置包括:
中空角镜,用于接收所述第一分束片分出的所述第二入射光;以及
第四反射镜,用于将所述中空角镜的出射光沿所述第二方向反射?#20102;?br />述第二分束片。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的二维光谱装置,其特征在于,
所述第一方向垂直于所述第二方向,所述第一入射光平行于所述第二方
向,且所述第二入射光平行于所述第一方向。
8.根据权利要求7所述的二维光谱装置,其特征在于,所述第一反
射装置包括依次反射所述第一入射光的第五反射镜、第六反射镜和第七反
射镜,所述第五反射镜与所述第一分束片垂直,所述第六反射镜与所述第
五反射镜垂直,所述第七反射镜与所述第五反射镜平行。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的二维光谱装置,其特征在于,
所述聚焦装置为凹面镜。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的二维光谱装置,其特征在于,
所述二维光谱装置还包括第八反射镜,用于反射所述聚焦装置聚焦的第一
光束至第四光束。

说明书

二维光谱装置

技术领域

本发明涉及光学仪器,具体涉及一种二维光谱装置。

背?#20985;?#26415;

二维光谱是通过监测分子的某个电子态或振动模式的谱带在一段超
快时间间隔的起始时刻与终止时刻的频率的相关度来监测分子的超快动
态变化。通过获得在不同时间间隔的一系列二维光谱,可以在线监测分子
体系的动态变化。二维光谱技术是将第一、第二和第三束光先后入射到样
品上,通过不断改变第一束光和第二束光入射到样品的时间间隔,并在时
域上做傅里叶变换从而获得激发频率的相位信息。通过光谱仪测量样品在
前三束光的作用下产生的辐射光的信号,并做傅里叶变换从而获得探测频
率域的信息。在第三束光入射到样品后(通常几百飞秒)将第四束光入射
到样品上,样品发射的辐射光与第四束光发生干涉,通过光谱仪测量干涉
光的信号从而获得干涉光的功率谱和频率相位。因此二维光谱作为一种新
兴的光谱技术,广泛应用在生物和半导体样品能级耦合的测量中。

现有的二维光谱装置通常采用光栅或空间光调制器将两束激光分成
四束激光。但是光栅对入射光的损耗非常大,另外要求入射光的光谱不能
太宽(在200nm以内),因此限制了其在商业上的应用?#27573;А?#32780;空间光调
制器的成本高、装置复杂,因此也限制了其在商业上的应用?#27573;А?br />

发明内容

针对现有技术的二维光谱装置存在的上述技术问题,本发明的一个实
施例提供了一种二维光谱装置,包括:

第一分束片,用于将入射到所述第一分束片上的光分成第一入射光和
第二入射光;

第一反射装置,用于将所述第一入射光沿第一方向反射从而获得第三
入射光;

第二反射装置,用于将所述第二入射光沿第二方向反射从而获得与所
述第三入射光非共面的第四入射光;

第二分束片,用于将所述第四入射光分成沿所述第一方向的第一光束
和沿所述第二方向的第二光束,以及用于将所述第三入射光分成沿所述第
二方向的第三光束和沿所述第一方向的第四光束;

聚焦装置;

第三反射装置,用于将所述第一光束至第四光束沿相同方向入射到所
述聚焦装置上;以及

调节装置,用于调节所述第一光束和第二光束入射到所述聚焦装置的
时间间隔。

优选的,所述第三反射装置用于将所述第一光束至第四光束沿所述聚
焦装置的光轴反射到所述聚焦装置上,且使得所述第一光束的光程等于所
述第二光束的光程。

优选的,所述第三反射装置包括:第一反射镜,用于将所述第二光束
和第三光束沿所述聚焦装置的光轴反射到所述聚焦装置上;以及第二反射
镜和第三反射镜,用于将所述第一光束和第四光束沿所述聚焦装置的光轴
反射到所述聚焦装置上。

优选的,所述聚焦装置的光轴平行所述第一方向,所述第二反射镜和
第三反射镜平行。

优选的,所述调节装置包括位于所述第一光束的光路上的第一光楔对
和/或位于所述第二光束的光路上的第二光楔对。

优选的,所述第二反射装置包括:中空角镜,用于接收所述第一分束
片分出的所述第二入射光;以及第四反射镜,用于将所述中空角镜的出射
光沿所述第二方向反射?#20102;?#36848;第二分束片。

优选的,所述第一方向垂直于所述第二方向,所述第一入射光平行于
所述第二方向,且所述第二入射光平行于所述第一方向。

优选的,所述第一反射装置包括依次反射所述第一入射光的第五反射
镜、第六反射镜和第七反射镜,所述第五反射镜与所述第一分束片垂直,
所述第六反射镜与所述第五反射镜垂直,所述第七反射镜与所述第五反射
镜平行。

优选的,所述聚焦装置为凹面镜。

优选的,所述二维光谱装置还包括第八反射镜,用于反射所述聚焦装
置聚焦的第一光束至第四光束。

本发明的二维光谱装置对入射光的光谱并无限制,且对光的损耗小;
能够消除镜片抖动对相位的改变,从而提高二维光谱装置的稳定性;另外
装置简单、质量轻和体积小。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明,其中:

图1是根据本发明第一个实施例的二维光谱装置的光路图。

图2是图1中的二维光谱装置中的一个分束片的立体示意图。

图3是根据本发明第二个实施例的二维光谱装置的光路图。

图4是根据本发明第三个实施例的二维光谱装置的光路图。

图5是根据本发明第四个实施例的二维光谱装置的光路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图
通过具体实施例对本发明进一步详细说明。

图1是根据本发明第一个实施例的二维光谱装置的光路图。如图1所
示,二维光谱装置100包括分束片110、第一反射装置120、第二反射装
置130、分束片140、第三反射装置150和调节装置160。

飞秒激光入射至分束片110后被分成第一入射光111和第二入射光
112。第一入射光111和第二入射光112分别入射至第一反射装置120和第
二反射装置130。

第一反射装置120包括依次反射第一入射光111的反射镜121、反射
镜122和反射镜123。第一入射光111依次经过反射镜121、122、123反
射后沿第一方向D1射出,从而获得第三入射光111’。

第二反射装置130包括中空角镜131和反射镜132。中空角镜131是
一个由三个互相垂直的反射镜组成的反射系?#24120;?#20837;射到其上的光束经两次
反射后平行出射,因此它可以有效抵消平移台的左?#21494;?#21160;和上下抖动对光
路的影响,从而有效提高整个测量系统的信噪比。第二入射光112入射至
中空角镜131中,从中空角镜131平行出射的光线入射至反射镜132上,
反射镜132将第二入射光112沿第二方向D2反射,从而获得第四入射光
112’。由于中空角镜131的入射光和出射光与固定二维光谱装置100的平
台(图1未示出)的距离不同,因此经过反射镜132反射得到的第四入射
光112’与经过反射镜123反射得到的第三入射光111’并不在同一平面上。

本实施例中的第一方向D1垂直于第二方向D2,且第一入射光111和
第四入射光112’平行第二方向D2,第二入射光112和第三入射光111’平
行于第一方向D1。这样在平台上可以方便调节光学器件的角度以及位置,
例如分束片110与第二方向D2的夹角为45°,反射镜121垂直于分束片
110,反射镜122垂直反射镜121,反射镜123平行反射镜121。

图2是图1中的二维光谱装置中的分束片140的立体示意图。如图2
所示,分束片140与第三入射光111’的夹角等于其与第四入射光112’的夹
角。因此分束片140将第四入射光112’分成沿第一方向D1的第一光束141
和沿第二方向D2的第二光束142,且将第三入射光111’分成沿第二方向
D2的第三光束143和沿第一方向D1的第四光束144。

再次参考图1,第三反射装置150包括反射镜151、反射镜152和反
射镜153。反射镜151将第二光束142和第三光束143以平行凹面镜170
光轴反射至凹面镜170上;反射镜152和反射镜153将第一光束141和第
四光束144以平行凹面镜170光轴反射至凹面镜170上。本实施例的凹面
镜170的光轴平行于第一方向D1,从而方便精密调节第三反射装置150
的位置。凹面镜170可避免飞秒激光的光线发生变形,使得平行于其光轴
的第一光束141~第四光束144聚焦在同一点。

调节装置160包括位于第一光束141光路上的光楔对161和位于第二
光束142光路上的光楔对162。通过调节光楔对161、162在光路上的厚度,
从而实现调节第一光束141和第二光束142到凹面镜170的时间间隔。

二维光谱装置100还包括反射镜171,用于将凹面镜170聚焦的第一
光束141~第四光束144反射至样品180的同一位置。

第一光束141和第二光束142的时间间隔通常在0-120飞秒之间,因
此两者的最大光程差仅为36微米。由于一个光楔对能够对光进行延迟的
?#27573;?#20026;0-400飞秒,因此在实验或测试过程中通过调节反射镜152和反射
镜153的角度,使得第二光束142和第一光束141的光程相等或近似相等。

本实施例的第二反射装置130中的中空角镜131增加了第二入射光
112到分束片140的光程,因此本实施例中的第一反射装置120的另一个
作用是增加第一入射光111入射到分束片140的光程,使得第一入射光111
入射到分束片140的光程大于第二入射光112到分束片140的光程,进而
实现第三光束143在第一光束141之后入射到样品180上。因?#35828;?#20013;空角
镜131沿着第一方向D1移动以增加第一光束141的光程或沿着第一方向
D1的反方向移动以减小第一光束141的光程过程中,作为探测光的第四
光束144的光程并不改变,这样有利于提高测量稳定性。

本发明的二维光谱装置100中的第一入射光111和第二入射光112来
自激光器发出的同一束飞秒激光,且第一光束141和第二光束142都来自
第四入射光112’,第三光束143和第四光束144都来自第三入射光111’,
分束后第一光束141和第四光束144共用镜片,第二光束142和第三光束
143共用镜片,因?#25628;?#21697;的辐射光与第四光束144干涉后光信号的相位的
改变量为零。因此采用分束片110和分束片140以及共用镜片能够消除镜
片抖动对相位的改变,从而提高二维光谱装置100的稳定性。本发明的二
维光谱装置并不存在对光进行衍射,因此对入射光的光谱并无限制,且对
光的损耗小;另外装置简单、质量轻和体积小。

图3是根据本发明第二个实施例的二维光谱装置的光路图。其与图1
基本相同,区别在于,二维光谱装置200中的第一反射装置220为一个反
射镜,其用于将第一入射光111沿第一方向D1反射,从而获得第三入射
光111’。由于第一入射光111到分束片140的光程小于第二入射光112到
分束片140的光程,因?#35828;?#33410;装置160中的光楔对161、162分别位于第
三入射光111’经过分束片140透射和反射后的光路上。

图4是根据本发明第三个实施例的二维光谱装置的光路图。其与图1
基本相同,区别在于,凹面镜170的光轴与第二方向D2的夹角不等于0°
或90°,以及二维光谱装置300中的第三反射装置包括反射镜351和反射
镜352,其中反射镜351用于将第二光束142和第三光束143沿凹面镜170
的光轴反射至凹面镜170上,反射镜352用于将第一光束141和第四光束
144沿凹面镜170的光轴反射至凹面镜170上。通过调节反射镜351、352
与分束片140的距离和夹角,使得第一光束141和第二光束142到凹面镜
170的光程相等或近似相等。

图5是根据本发明第四个实施例的二维光谱装置的光路图。其与图1
基本相同,区别在于,二维光谱装置400中的凹面镜170的光轴平行于第
二方向D2,反射镜152、153用于将第二光束142和第三光束143沿第二
方向D2反射至凹面镜170上,反射镜151将第一光束141和第四光束144
沿第一方向D1反射至凹面镜170上。

在其他的实施例中,第一方向D1和第二方向D2的夹角可以不等于
90°。

在本发明的其他实施例中,还可以采用两个严格垂直的反射镜替换上
述实施例中的中空角镜131。

在本发明的其他实施例中,可以不具有反射镜171,在对样?#26041;?#34892;测
试过程中,将样品180直接放置在凹面镜170的焦点处。

本发明的聚焦装置并不限于凹面镜170,还可以是其他能将平行光聚
焦的聚焦装置。

本发明的调节装置160可以包括多于或少于两个光楔对,例如位于第
一光束141或第二光束142的光路上的一个光楔对。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述,然而本发明并非局限于
这里所描述的实施例,在不脱离本发明?#27573;?#30340;情况下还包括所作出的各种
改变以及变化。

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本文标题:二维光谱装置.pdf
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