專利名稱：一種對種子光信號進(jìn)行超快時(shí)間分辨測量的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對飛秒激光脈沖進(jìn)行快速測量與時(shí)間分辨的方法及裝置，特 別是關(guān)于一種對種子光信號進(jìn)行超快時(shí)間分辨測量的方法及裝置。
技術(shù)背景飛秒(femtosecond,縮寫為fs， lfs二l(Ts)激光脈沖由于具有精度極高的 時(shí)間分辨力，因而已成為當(dāng)今人們研究超快瞬態(tài)現(xiàn)象的極重要甚至是唯一的手段。 在需求這一強(qiáng)大動力的牽動下，人們不僅對這類脈沖的產(chǎn)生技術(shù)感興趣，而且對 其自身性能的基礎(chǔ)研究工作也越來越關(guān)注。也正是在一些帶有前瞻性的基礎(chǔ)研究 支撐下， 一些波長可調(diào)、帶寬脈寬理想、能量極高的超快超強(qiáng)激光脈沖產(chǎn)生設(shè)備 陸續(xù)出現(xiàn)，并應(yīng)用于越來越多的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，促進(jìn)了這些領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。九十年代后，基于非線性晶體光參量效應(yīng)的光參量器件出現(xiàn)，脈寬在幾十飛 秒的克爾鏡鎖模鈦藍(lán)寶石激光器也出現(xiàn)了商業(yè)化產(chǎn)品，從而使時(shí)間分辨激光光譜 技術(shù)進(jìn)入飛秒階段，.并被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體材料動力學(xué)、有機(jī)及生物分子的反應(yīng) 動力學(xué)、相干反應(yīng)控制等自然科學(xué)領(lǐng)域的研究中。由于電子器件受本身響應(yīng)速度 的限制，傳統(tǒng)的時(shí)間分辨光譜技術(shù)，例如快速光電探測器、寬帶示波器、單光子 計(jì)數(shù)系統(tǒng)、條紋相機(jī)系統(tǒng)等，它們的時(shí)間分辨能力較低，只能達(dá)到幾個(gè)皮秒(ps， lps=10—12s)的量級，不能直接用于測量飛秒激光的脈沖寬度。因此，需要通過全 光學(xué)的方式找出具有飛秒超快時(shí)間分辨能力的探測系統(tǒng)。為了解決傳統(tǒng)技術(shù)時(shí)間分辨能力低的問題，近年來人們開發(fā)了 "時(shí)間分辨熒 光上轉(zhuǎn)換技術(shù)(Fluorescence Up-Conversion)"和"光克爾門技術(shù)(Optical Kerr Gate)"等熒光超快光譜學(xué)技術(shù)。前者具有與所用飛秒脈沖寬度相同的時(shí)間分辨 能力，但對于光學(xué)系統(tǒng)的精密調(diào)節(jié)要求高，而且對熒光光譜的探測是單波長探測， 探測區(qū)域在紫外光波段；后者由于以有機(jī)溶劑作為工作介質(zhì)，時(shí)間分辨能力僅為 亞皮秒。此外，由于這兩種方法在探測中只利用到一部分熒光，而且對弱熒光都 不敏感，因而在低熒光量子產(chǎn)率的探測中受到很大限制。隨著科技進(jìn)步， 一些具有優(yōu)良性能的非線性光參量效應(yīng)的光參量晶體器件(例 如偏硼酸鋇BBO等)出現(xiàn)了，以它們?yōu)椴牧系墓鈱W(xué)振蕩器(Optical Parametric Oscillator,縮寫為0P0)和光學(xué)參量放大器(Optical Parametric Amplifier, 縮寫為0PA)相繼發(fā)明。由于它們的可連續(xù)調(diào)諧范圍寬(從紅外到紫外)、轉(zhuǎn)換效率比較高，以及全固態(tài)便于操作等特點(diǎn)，頗得業(yè)內(nèi)人士的青睞，并分成了兩個(gè)互 有聯(lián)系、又有許多重要差別的研究分支，我們不妨稱之為"基于0PA的光源產(chǎn)生 系統(tǒng)"和"基于0PA的超快光譜學(xué)方法"。這兩個(gè)研究分支雖然都是基于參量放 大系統(tǒng)的原理，但它們卻有不同的側(cè)重前者主要側(cè)重于對"超快超強(qiáng)飛秒激光 脈沖產(chǎn)生方法"的研究，而后者則主要側(cè)重于對"放大的種子光信號"進(jìn)行"高 精度超快時(shí)間分辨方法"的研究。由于受許多領(lǐng)域?qū)Τ斐瑥?qiáng)飛秒激光脈沖需求 的牽動，在此之前人們更多關(guān)注的是對前者的研究，因而這一研究分支發(fā)展較快; 而后一研究分支的發(fā)展就相對緩慢，不僅關(guān)注的人較少，而且能見的相關(guān)技術(shù)資 料也很少。盡管上述兩個(gè)研究分支基本原理類似，但后者需要做的工作是首先通過0PA 系統(tǒng)對激光脈沖激發(fā)染料樣品所產(chǎn)生的"原始種子光信號"進(jìn)行線性參量放大， 然后通過設(shè)置在超快光譜學(xué)研究系統(tǒng)中的探測設(shè)備，對已經(jīng)被參量放大器線性放 大后的"放大種子光信號"進(jìn)行高精度光譜分析和超快時(shí)間分辨測量。這里所述 的"原始種子光信號"，是一種"與泵浦信號具有弱時(shí)間相關(guān)性、能量較低、且 受色散引起的啁啾及系統(tǒng)噪聲干擾的信號"，下面簡稱為種子光信號。"基于0PA 的光源產(chǎn)生系統(tǒng)"對信號處理的要求相對簡單，而"超快光譜學(xué)方法"需要經(jīng)常 對這類信號進(jìn)行處理。二者之間有不少差別，概括起來主要有①研究對象不同 前者的研究目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧光源，后者研究的是被放大的種子光；②研究的目 的不同前者是利用所產(chǎn)生的可調(diào)諧飛秒激光信號去研究其它物質(zhì)，后者是通過 觀測放大光本身，來研究種子光信號；③所采用的種子光不同前者是利用透明 固體介質(zhì)產(chǎn)生連續(xù)可變的光譜作為種子，后者則以特定研究對象受激產(chǎn)生的熒光 信號作為種子； 系統(tǒng)對OPA的工作狀態(tài)與信號參數(shù)要求不同前者要求系統(tǒng)工 作在飽和區(qū)(非線性區(qū))，為此，要求系統(tǒng)把泵浦光的強(qiáng)度控制在產(chǎn)生圓錐輻射 的域值以下，而且要求種子光的強(qiáng)度足夠強(qiáng)，以避免種子光的起伏；后者要求系 統(tǒng)始終工作在線性放大區(qū)，因而一方面要求系統(tǒng)把泵浦光的強(qiáng)度控制在產(chǎn)生圓錐 輻射的域值之上，另一方面要求輸入給0PA的種子光信號較弱，同時(shí)也要求整個(gè) 參放過程即使在有系統(tǒng)噪聲和"啁啾"干擾的情況下，也能保持其對種子光信號 線性放大的能力； 對時(shí)間延遲的要求不同前者要求泵浦光與種子光同步到達(dá) 參量放大晶體，后者要求泵浦光與種子光以可變的相對延時(shí)到達(dá)晶體(要求二者 有某種"弱時(shí)間相關(guān)性")，以便探測種子光中與時(shí)間相關(guān)的信號。綜上所述不難看出，二者之間最重要的差別是，后者要求"OPA系統(tǒng)及其參量 放大過程"對"種子光信號"的放大始終保持在"高保真的線性放大"能力。由于究竟用什么方法才可實(shí)現(xiàn)這一要求，并無資料與先例可以借鑒，實(shí)現(xiàn)上述要求 并非易事，因而必須通過大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)及探索才能找到合適的答案。實(shí)現(xiàn)這一要 求，不僅關(guān)系到改變"超快光譜學(xué)研究領(lǐng)域"相對落后的局面，更關(guān)系到這一研 究領(lǐng)域能否取得突破性進(jìn)展。勿庸置疑，實(shí)現(xiàn)這一要求所需的一系列技術(shù)，自然 就是這一研究領(lǐng)域需要予以突破的關(guān)鍵技術(shù)。 發(fā)明內(nèi)容針對上述存在的問題，本發(fā)明的目的是通過對光學(xué)參量放大系統(tǒng)的開發(fā)與技 術(shù)創(chuàng)新，在突破關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，提供一種對種子光信號進(jìn)行超快時(shí)間分辨測 量的方法及裝置，以滿足業(yè)界對超快光譜學(xué)技術(shù)日益增長的需求。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案 一種對種子光信號進(jìn)行超快時(shí) 間分辨測量的方法，主要包括以下步驟(1)由激光脈沖光源產(chǎn)生的超短激光脈 沖經(jīng)過能量調(diào)節(jié)、準(zhǔn)直縮束及空間濾波系統(tǒng)優(yōu)化選擇后，由光學(xué)分束系統(tǒng)分成兩 路，其中一路通過時(shí)間延遲控制系統(tǒng)，然后一路通過參量泵浦脈沖頻率變換與偏 振控制系統(tǒng)和泵浦脈沖耦合系統(tǒng)；另一路通過種子激發(fā)脈沖頻率變換與偏振控制 系統(tǒng)送至種子樣品，激發(fā)樣品產(chǎn)生種子光信號，并由種子光信號收集耦合系統(tǒng)收 集；(2)收集后的種子光信號與泵浦脈沖，以一定匹配角度入射到參量放大系統(tǒng) 上，使參量放大系統(tǒng)以線性放大狀態(tài)對樣品種子光信號進(jìn)行超快放大；(3)利用 參量放大信號探測系統(tǒng)，依次完成信號探測、記錄、參比修正，以及對放大種子 光信號的超快光譜分析與時(shí)間分辨測量處理，給出相應(yīng)的檢測結(jié)果；(4)在參量 放大信號處理系統(tǒng)中，通過對時(shí)間延遲控制系統(tǒng)的調(diào)整，改變種子光信號相對于 泵浦脈沖的相對延遲，使二者處在可調(diào)節(jié)的時(shí)間相關(guān)狀態(tài)，重復(fù)步驟(3)，得出 種子光隨時(shí)間演化的超快時(shí)間分辨測量結(jié)果。所述步驟(2)中，使參量放大系統(tǒng)保持線性放大狀態(tài)的條件如下①入射到 參量放大系統(tǒng)的泵浦光強(qiáng)超過能使其產(chǎn)生圓錐輻射的閾值，然后維持這一強(qiáng)度不 變；②調(diào)整種子光收集耦合系統(tǒng)的工作狀態(tài)，使種子光信號沿著圓錐輻射的錐面 方向入射到參量放大系統(tǒng)的寬帶非線性晶體上；③通過對種子光信號收集耦合系 統(tǒng)狀態(tài)的調(diào)整，使種子光強(qiáng)保持在低光強(qiáng)狀態(tài)。所述步驟(3)包括如下步驟①利用同步探測器與記錄單元，同時(shí)探測、記 錄參量放大器輸出的放大種子光信號，以及圓錐輻射信號；②利用得到的信號， 對參量放大器輸出的放大種子信號進(jìn)行歸一處理，實(shí)現(xiàn)參比修正；③利用同步探 測光譜儀的信號分析與計(jì)量單元，以及時(shí)間延遲控制系統(tǒng)，對放大種子光信號進(jìn) 行超快光譜分析與時(shí)間分辨計(jì)量處理。采用直接探測法或閑頻光探測法之一對參量放大器輸出的放大信號進(jìn)行探測與記錄。所述的信號檢測分析，是通過參量放大信號探測系統(tǒng)和參量放大信號處理系 統(tǒng)完成對參放輸出信號的同步探測與記錄、參比修正處理，以及對放大種子光信 號的高精度光譜探測與超快時(shí)間分辨力計(jì)量；所述的參量放大信號探測系統(tǒng)通過 激光信號耦合部件與參量放大輸出相接，用于同步探測、記錄參量放大器輸出的 放大種子信號光譜和未被放大種子信號光譜覆蓋區(qū)域的圓錐輻射光譜；所述的參 量放大信號處理系統(tǒng)，用于參比修正處理，其輸入、輸出端通過自己的接口電路， 分別與所述參量放大信號探測系統(tǒng)的輸出端及光學(xué)延遲系統(tǒng)的輸入端連接。所述參量放大信號探測系統(tǒng)對于光譜探測的方式的記錄方法為下列方法之 一(1)雙路光譜儀同步記錄的方式采用雙路硬件同步光纖光譜儀或成像光譜 儀+ CCD， 一路記錄經(jīng)參量放大信號光譜，另一路記錄未被種子光覆蓋處的圓錐輻 射光譜，作為參比實(shí)時(shí)修正的輸入信息；(2)簡化的同步記錄方式用單路光譜儀記錄參量放大信號光譜，利用圓錐輻射光譜進(jìn)行統(tǒng)一參比修正。一種實(shí)現(xiàn)上述對種子光信號進(jìn)行超快時(shí)間分辨測量方法的裝置，其特征在于 它包括激光脈沖光源系統(tǒng)，能量調(diào)節(jié)、準(zhǔn)直縮束及空間濾波系統(tǒng)，光學(xué)分束系統(tǒng)， 時(shí)間延遲控制系統(tǒng)，種子激發(fā)脈沖頻率變換與偏振控制系統(tǒng)，樣品，種子光信號 收集耦合系統(tǒng)，泵浦脈沖頻率變換與偏振控制系統(tǒng)，泵浦脈沖耦合系統(tǒng)，參量放 大系統(tǒng)，參量放大信號探測系統(tǒng)，參量放大信號處理系統(tǒng)；所述能量調(diào)節(jié)、準(zhǔn)直 縮束及空間濾波系統(tǒng)的輸入端和輸出端分別與激光脈沖光源系統(tǒng)和光學(xué)分束系統(tǒng) 相鄰，通過光學(xué)分束系統(tǒng)分束后其中一支路中設(shè)置有一時(shí)間延遲控制系統(tǒng)，兩光 路中的一支路是依次設(shè)置的所述種子激發(fā)脈沖頻率變換與偏振控制系統(tǒng)，樣品和 種子光信號收集耦合系統(tǒng)的種子激發(fā)脈沖光路，另一支是依次設(shè)置的所述泵浦脈 沖頻率變換與偏振控制系統(tǒng)和泵浦脈沖耦合系統(tǒng)的參量泵浦脈沖光路，所述兩光 路匯集于所述參量放大系統(tǒng)，所述參量放大信號探測系統(tǒng)和參量放大信號處理系 統(tǒng)依次設(shè)置在所述參量放大系統(tǒng)之后。所述的時(shí)間延遲控制系統(tǒng)為由超精細(xì)數(shù)控移動平臺作為控制部件的時(shí)間延遲 控制系統(tǒng)，所述時(shí)間延遲控制系統(tǒng)置于所述參量泵浦脈沖光路中。所述的時(shí)間延遲控制系統(tǒng)為由超精細(xì)數(shù)控移動平臺作為控制部件的時(shí)間延遲 控制系統(tǒng)，所述時(shí)間延遲控制系統(tǒng)置于所述種子激發(fā)脈沖光路中。所述樣品前的種子激發(fā)脈沖光路中設(shè)置有起偏器，在種子光收集耦合系統(tǒng)的 后面設(shè)置有檢偏器，以實(shí)現(xiàn)對種子光的偏振相關(guān)檢測。所述的種子光收集耦合系統(tǒng)為透鏡收集耦合系統(tǒng)，所述透鏡收集耦合系統(tǒng)為 兩透鏡組成的透鏡組或單透鏡或顯微物鏡組成。所述的種子光收集耦合系統(tǒng)為"全反射會聚式"收集耦合系統(tǒng)。所述的種子光收集耦合系統(tǒng)為光纖收集耦合系統(tǒng)，所述光纖收集耦合系統(tǒng)， 由頭尾依次相接的第一透鏡、光纖和第二透鏡組成。所述的參量放大信號探測系統(tǒng)為雙路光纖光譜儀或成像光譜儀+CCD或單路 光譜儀中的一種。本發(fā)明采用光學(xué)參量放大系統(tǒng)的組成框架，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了技術(shù)開發(fā)，尤 其是在"系統(tǒng)組成技術(shù)、寬帶無腔光學(xué)參量放大系統(tǒng)技術(shù)、激光脈沖的準(zhǔn)直縮束 及空間濾波技術(shù)、泵浦光與種子光信號相對延時(shí)的超精細(xì)數(shù)控調(diào)節(jié)技術(shù)、種子光 的最佳收集耦合技術(shù)、消除啁啾信號的控制技術(shù)、以及使泵浦光與種子光信號達(dá) 到最佳匹配的獨(dú)立調(diào)節(jié)技術(shù)"等方面的技術(shù)創(chuàng)新，有效地保證了光學(xué)參量放大系 統(tǒng)在比較寬的頻帶內(nèi)對種子光信號的放大始終處于"不失真的線性放大"狀態(tài)。 同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)對放大種子光信號的超快光譜分析與時(shí)間分辨測量，本發(fā)明在其終 端設(shè)置了雙路光纖光譜儀，同時(shí)還開發(fā)了 "雙路光纖光譜儀同步檢測技術(shù)、用圓 錐輻射強(qiáng)度進(jìn)行參比修正以提高系統(tǒng)輸出信噪比及輸出樣品種子光信號質(zhì)量的參 比修正處理技術(shù)、激光光譜儀頻譜分析技術(shù)"等一系列先進(jìn)技術(shù)與方法，因而使 得本發(fā)明明顯具有如下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明以"寬帶、無腔、固態(tài)化或模塊化" 等寬帶部件作為參放系統(tǒng)的基本組成，在0PA系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置可對泵浦光與種子光信 號的"強(qiáng)度、入射方向與參量放大晶體光學(xué)平面的夾角、兩種信號的相對延遲或 相關(guān)程度"等參數(shù)進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)的通光支路，確保入射到參量放大的非線性光學(xué) 晶體(Nonlinear Optical Crystal)上的"泵浦光與種子光信號"的最佳匹配， 有效保證了光學(xué)參量放大系統(tǒng)在較寬的光波范圍內(nèi)，對帶有各種干擾的種子光信 號的放大始終處于"高保真的線性放大"狀態(tài)。系統(tǒng)具有工作波帶寬、應(yīng)用范圍 廣、使用調(diào)節(jié)靈活的特點(diǎn)。2、本發(fā)明中參放泵浦光脈沖"既給參放提供能量，又 兼作參放過程的時(shí)間門"，使系統(tǒng)更加緊湊的同時(shí)，提高了系統(tǒng)效率，并減少了 系統(tǒng)產(chǎn)生的影響因素。3、本發(fā)明采用的全反射鏡式種子光收集耦合技術(shù)，該技術(shù) 可使系統(tǒng)的相對時(shí)間延遲不依賴于波長，從而消除光路色散對信號傳輸、進(jìn)而對 信號線性放大所造成的不利影響，從而可最大限度抑制甚至有效地消除帶有"啁 啾"的種子光脈沖注入光學(xué)參量放大系統(tǒng)并被放大。4、本發(fā)明在其終端組成中設(shè) 置了多種可根據(jù)具體情況靈活選用的種子光收集耦合、參放輸出信號同步探測、 以及與之相關(guān)的直接探測和閑頻光探測等方法與手段(收集種子光信號的透鏡收集耦合、反射鏡收集耦合、光纖收集耦合，對參放輸出信號探測記錄的雙路光纖 光譜儀、多通道成像光譜儀+ CCD同步記錄、或單路光纖光譜儀等)，從而確保了 對"放大種子光信號"探測記錄的實(shí)時(shí)性及檢測精度；5、本發(fā)明設(shè)置有對泵浦光與種子光信號弱時(shí)間相關(guān)調(diào)整以及對參放輸出種子光信號的參比修正處理單元， 有效地克服了 "無參比修正系統(tǒng)"中輸出信號起伏、信噪比低帶來的"參放輸出 信號的質(zhì)量差，信號探測靈敏度低"的不良影響，從而大大提高了系統(tǒng)對"放大 種子光信號"的光譜或時(shí)間分辨能力檢測的精度。顯見，本發(fā)明給出的裝置組成合理，工作頻帶范圍寬，應(yīng)用范圍廣，信號探 測精度高，使用調(diào)節(jié)方便、靈活，本發(fā)明給出的方法有效地解決了參放對所述"種 子光信號"保持線性放大所需的一系列關(guān)鍵技術(shù)，從而使本發(fā)明既可以有效地完 成對"超快、弱時(shí)間相關(guān)、帶有各種干擾的弱熒光種子光信號"最佳線性放大這 一難題，也實(shí)現(xiàn)了對"放大種子光信號"的超快光譜探測與高精度時(shí)間分辨測量，使"基于0PA的超快光譜學(xué)"研究領(lǐng)域在技術(shù)進(jìn)步方面產(chǎn)生了一個(gè)新的飛躍。本發(fā)明所提供的方法和裝置不僅可用在"超快光譜學(xué)研究領(lǐng)域"，而且通過對泵浦 光與種子光信號的能量與信號參數(shù)的適當(dāng)調(diào)整，還可以很容易地在寬帶范圍內(nèi)產(chǎn) 生波長可變的高質(zhì)量飛秒激光脈沖，展現(xiàn)出其他一些開發(fā)與應(yīng)用前景，具有較高 的科研、經(jīng)濟(jì)與社會效益。


圖1是本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明光學(xué)流路示意框3是本發(fā)明各類收集耦合系統(tǒng)示意4是本發(fā)明圓錐輻射的彩色光環(huán)示意5是本發(fā)明圓錐輻射角度匹配理論計(jì)算6是本發(fā)明放大種子光信號隨泵浦脈沖能量變化示意7是本發(fā)明放大種子光信號隨種子光強(qiáng)變化示意8是本發(fā)明種子光信號與圓錐輻射相互競爭隨泵浦脈沖能量變化示意9是本發(fā)明未經(jīng)參比修正的DCM染料乙醇溶液熒光光譜圖10是本發(fā)明參比修正后的DCM染料乙醇溶液熒光光譜圖11是本發(fā)明實(shí)施例一采用的裝置示意12發(fā)明實(shí)施例一情況下水的超連續(xù)光譜(實(shí)線)與放大后的光譜(虛線)圖13本發(fā)明實(shí)施例二采用的裝置示意14本發(fā)明實(shí)施例二情況下參比修正示意圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。 本發(fā)明中涉及的光波信號分為1、 激光脈沖——由激光脈沖光源直接產(chǎn)生的飛秒或皮秒強(qiáng)脈沖；2、 泵浦脈沖——激光脈沖經(jīng)過準(zhǔn)直縮束及空間濾波、分束處理、頻率變換、 精密延遲處理后所產(chǎn)生的、用作系統(tǒng)參放泵浦信號的激光脈沖；3、 種子激發(fā)脈沖——激光脈沖經(jīng)準(zhǔn)直縮束與空間濾波、分束處理、頻率變換 后所形成的、用于激發(fā)樣品產(chǎn)生種子光信號的激光脈沖；4、 種子光信號——種子激發(fā)脈沖作用于樣品后所產(chǎn)生的待測光信號；5、 放大種子光信號——種子光信號經(jīng)過參量放大晶體被放大后的光信號；6、 參量放大信號——實(shí)際測量信號，為圓錐輻射和放大種子光信號的疊加。7、 閑頻光信號——參量放大過程中產(chǎn)生的和放大種子光信號共厄的光信號， 在存在種子光信號的參放過程中， 一個(gè)泵浦脈沖光子產(chǎn)生一個(gè)與種子光頻率、方 向相同的光子，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)閑頻光光子，二者能量之和和動量之和分別等于原 來的泵浦脈沖光子的能量和動量(能量守恒和動量守恒)。如圖l、圖2所示，本發(fā)明裝置包括激光脈沖光源系統(tǒng)l，能量調(diào)節(jié)、準(zhǔn)直縮 束及空間濾波系統(tǒng)2，光學(xué)分束系統(tǒng)3，時(shí)間延遲控制系統(tǒng)4，種子激發(fā)脈沖頻率 變換與偏振控制系統(tǒng)5，樣品6，種子光信號收集耦合系統(tǒng)7，泵浦脈沖頻率變換 與偏振控制系統(tǒng)8，泵浦脈沖耦合系統(tǒng)9，參量放大系統(tǒng)IO，參量放大信號探測系 統(tǒng)ll，參量放大信號處理系統(tǒng)12。本發(fā)明激光脈沖光源系統(tǒng)1是通光波段為紅外到紫外光波區(qū)域的超快激光光 源，脈沖寬度從幾飛秒到幾十皮秒范圍，系統(tǒng)的時(shí)間分辨能力與激光脈沖寬度相 同，飛秒時(shí)間分辨可以采用帶啁啾放大的鈦藍(lán)寶石飛秒激光系統(tǒng)等成熟且已經(jīng)商 業(yè)化的激光器。如果采用皮秒激光系統(tǒng)，則系統(tǒng)的時(shí)間分辨率為皮秒。本發(fā)明能量調(diào)節(jié)、準(zhǔn)直縮束及空間濾波系統(tǒng)2是為了獲取合適的能量、恰當(dāng) 的光斑直徑與較好的光斑質(zhì)量，在不考慮濾波的情況下，準(zhǔn)直過程可以使用凹、 凸透鏡(或反射鏡)組合系統(tǒng)，以避免強(qiáng)激光場聚焦在空氣中發(fā)生擊穿現(xiàn)象?？?間濾波過程可以采用焦點(diǎn)處小孔濾波的方式，為了防止大氣環(huán)境中空氣被聚焦的 強(qiáng)光場擊穿，空間濾波可以在真空中進(jìn)行。能量調(diào)節(jié)、準(zhǔn)直縮束及空間濾波系統(tǒng) 的輸入端和輸出端分別與激光脈沖光源系統(tǒng)1和光學(xué)分束系統(tǒng)3相鄰。本發(fā)明光學(xué)分束系統(tǒng)3是為了將能量調(diào)節(jié)、準(zhǔn)直縮束及空間濾波系統(tǒng)2輸出 的激光脈沖在空間上分為泵浦脈沖和種子激發(fā)脈沖，脈沖分束的方式可以分為分波前、分振幅和分頻率，其中較簡單和常用的方式是分振幅和分頻率。分振幅的 方式可以采用具有一定反射比例的分束鏡；分頻率的方式則需要在準(zhǔn)直濾波后的 光路中加入頻率變換元件，例如非線性倍頻晶體，再利用特定的針對某一波長反 射的反射鏡進(jìn)行分束。分束方式可以依據(jù)試驗(yàn)條件對激光波長的要求來選擇，光 學(xué)分束系統(tǒng)3的組成可以由單片的部分反射鏡或增加頻率變換元件來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明時(shí)間延遲控制系統(tǒng)4用于控制分束后的泵浦脈沖和種子激發(fā)脈沖的相 對時(shí)間延遲。該系統(tǒng)中需要控制兩路光的相對光學(xué)時(shí)間(光程)延遲，光學(xué)時(shí)間 延遲的程度取決于經(jīng)過光學(xué)分束系統(tǒng)3分束后，到兩束光重新匯集到參量放大系 統(tǒng)10的光程之差。為實(shí)現(xiàn)這種光程差的相對改變，分光后的兩光路分別采用可變 延遲和固定延遲的方式。為實(shí)現(xiàn)高時(shí)間(光程)分辨、可編程與高重復(fù)性，可變 延遲可以采用超精細(xì)數(shù)控移動平臺或者其它可精密控制移動的電控移動臺來實(shí) 現(xiàn)。而固定延遲的光路可以采用光路折返的方式來實(shí)現(xiàn)。由于它的長度固定，因 此其設(shè)置取決于如何與另一光路的光程匹配。這兩種時(shí)間延遲方式可以分別設(shè)置 于泵浦脈沖支路和種子激發(fā)脈沖支路中。由于延遲的相對性，選擇任何一路作為 可變時(shí)間延遲支路都可以實(shí)現(xiàn)相同的超快時(shí)間延遲。本發(fā)明種子激發(fā)脈沖頻率變換與偏振控制系統(tǒng)5，用于實(shí)現(xiàn)種子光信號的特定 激發(fā)條件，頻率變換可以通過非線性晶體等部件匹配樣品所需要的特定光波頻率； 頻率變換后，要對該脈沖進(jìn)行濾波以除去不需要的光譜成分。偏振控制則可以通 過偏振棱鏡、波片及其組合等方式控制該種子激發(fā)脈沖的偏振特性。本發(fā)明樣品6為可產(chǎn)生熒光的研究對象，可以由固體、薄膜、液體以及附加 的循環(huán)系統(tǒng)及運(yùn)動系統(tǒng)等構(gòu)成，為實(shí)現(xiàn)樣品6的特定區(qū)域激發(fā)，在樣品6前可增 加透鏡、凹面反射鏡等光學(xué)元件。本發(fā)明種子光信號收集耦合系統(tǒng)7，用于將從樣品6激發(fā)得到的熒光信號(種 子光信號)收集并耦合至參量放大系統(tǒng)10。根據(jù)不同的要求可以有以下三類收集 耦合方案(如圖3所示)(1)采用透鏡收集耦合系統(tǒng)透鏡收集耦合系統(tǒng)包括透鏡組、單透鏡和顯微鏡三種形式。如圖3中a所示， 透鏡Ll用以對散射的種子光信號收集并準(zhǔn)直，透鏡L2將收集到的種子光會聚耦 合到參量放大系統(tǒng)IO，精心調(diào)節(jié)透鏡L2的位置，就可使種子光信號收集耦合系統(tǒng) 7與參量放大系統(tǒng)10之間獲得最佳耦合匹配，進(jìn)而使參量放大系統(tǒng)10處在最佳的 放大狀態(tài)。如圖3中b所示，是用單透鏡L直接將種子光信號收集并會聚耦合到 參量放大系統(tǒng)10上的情形。通過精細(xì)調(diào)節(jié)透鏡L的位置，也可以使系統(tǒng)獲得最佳耦合狀態(tài)。由于采用透鏡系統(tǒng)進(jìn)行耦合匹配，方法簡單可行，調(diào)節(jié)操作方便，適 用于一般情況對種子光信號進(jìn)行放大。如圖3中C所示，是利用顯微物鏡L收集 并把種子光信號耦合到參量放大系統(tǒng)10的情形，通過精細(xì)調(diào)節(jié)顯微物鏡L的位置，同樣可以使參量放大系統(tǒng)10獲得最佳放大狀態(tài)。顯微物鏡L收集主要適用于對點(diǎn)光源種子光的收集，比如固體樣品的信號收集等。(2) 采用反射鏡收集耦合系統(tǒng)如圖3中d所示，利用全反射鏡M1、 M2收集并將種子光信號會聚到參量放大 系統(tǒng)10，精細(xì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)也可使參量放大系統(tǒng)10處在最佳的放大狀態(tài)。此方案可以 解決方案(1)透鏡收集耦合系統(tǒng)色散引入的啁啾，而且由于系統(tǒng)的時(shí)間延遲條件 不依賴于波長，因此可以用可見光對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，包括確定幾何參數(shù)和時(shí)間零 點(diǎn)，然后再進(jìn)行其它波段的光譜測量。這種方法適用于對寬光譜或紅外波長的種 子光信號放大。(3) 采用光纖收集耦合系統(tǒng)如圖3中e所示，利用光纖收集并引導(dǎo)種子光信號的方法，通過透鏡L1對散 射的種子光信號收集并準(zhǔn)直至光纖，光纖的輸出端通過透鏡L2將種子光耦合到參 量放大系統(tǒng)10，此方案針對于光纖收集的種子光信號的放大，適用于光學(xué)器件空 間排列受限的環(huán)境以及需要用光纖收集信號的環(huán)境。如圖2所示，本發(fā)明泵浦脈沖頻率變換與偏振控制系統(tǒng)8，用于實(shí)現(xiàn)參量放大 系統(tǒng)10對泵浦脈沖的頻率與偏振要求。其實(shí)現(xiàn)過程和種子激發(fā)脈沖頻率變換與偏 振控制5類似。對于簡單的情況(例如在前述光學(xué)分束系統(tǒng)3中進(jìn)行的頻率變換 已經(jīng)滿足需求時(shí))，種子激發(fā)脈沖頻率變換與偏振控制系統(tǒng)5和參量泵浦脈沖頻 率變換與偏振控制系統(tǒng)8的設(shè)計(jì)均可大大簡化。本發(fā)明泵浦脈沖耦合系統(tǒng)9，用于實(shí)現(xiàn)參量放大系統(tǒng)10對泵浦脈沖的耦合要 求，該系統(tǒng)包括光學(xué)透鏡(或凹面反射鏡)以及平移、俯仰調(diào)節(jié)的多維調(diào)節(jié)系統(tǒng)。本發(fā)明參量放大系統(tǒng)10，是在泵浦脈沖作用下種子光信號被放大的關(guān)鍵系統(tǒng)， 該系統(tǒng)由非線性光學(xué)晶體(以下通稱參量放大晶體)和多維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。由種 子光信號收集耦合系統(tǒng)7和泵浦脈沖耦合系統(tǒng)9耦合進(jìn)入的泵浦脈沖與種子光信 號在參量放大晶體上重合，通過參量放大晶體的光學(xué)參量放大過程實(shí)現(xiàn)放大。該 過程要求兩光束嚴(yán)格的符合參量放大晶體的相位匹配條件，即入射光的夾角、偏 振，以及它們與參量放大晶體光軸的角度匹配嚴(yán)格符合晶體內(nèi)部動量守恒的條件， 在調(diào)節(jié)過程中，可以利用參量放大晶體的受激圓錐輻射來簡化調(diào)節(jié)過程。當(dāng)泵浦脈沖的能量超過某域值后會產(chǎn)生受激圓錐輻射(如圖4所示)，它與所選參量放大晶體的光學(xué)特性直接相關(guān)(如圖5所示)。光錐在接收平面上的光 環(huán)呈旋轉(zhuǎn)對稱均勻分布，隨著泵浦脈沖波矢與晶體光軸夾角的改變，光錐內(nèi)外顏 色分布隨之變化。當(dāng)沿著某個(gè)選定波長的圓錐面入射、且種子光信號與該圓錐輻 射波長相同時(shí)，它將獲得放大。該放大過程需要滿足泵浦脈沖和種子光信號脈沖 在時(shí)間上的重疊，它們之間的相對時(shí)間延遲與重疊可以通過時(shí)間延遲控制系統(tǒng)4 來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明種子光信號被放大要滿足線性條件，在一定的工作區(qū)域內(nèi)，線性 放大的條件是可以滿足的，超出這個(gè)區(qū)域，這一條件就無法滿足，艮口(1) 當(dāng)注入給參量放大晶體的泵浦脈沖強(qiáng)度較低時(shí)，隨著泵浦脈沖強(qiáng)度的增 強(qiáng)，即便是比較微弱的種子光也可以從泵浦脈沖獲得高的能量，實(shí)現(xiàn)對種子光信 號的線性放大(如圖6所示)；(2) 但是，若保持泵浦脈沖光強(qiáng)不變，而注入到參量放大系統(tǒng)10的種子光 信號光強(qiáng)逐漸增加超過某特定值時(shí)，由于泵浦脈沖的能量已不足以維持高放大倍 數(shù)時(shí)，參量放大系統(tǒng)10就出現(xiàn)飽和，其增益反而出現(xiàn)下降(如圖7所示)；(3) 過強(qiáng)的泵浦脈沖也會導(dǎo)致種子光信號放大不滿足線性條件，由于所釆用 的泵浦脈沖能量區(qū)域?yàn)閳A錐輻射被激發(fā)的區(qū)域，因此該區(qū)域的放大過程存在圓錐 輻射噪聲背景。圓錐輻射噪聲來自晶體內(nèi)被泵浦脈沖激發(fā)出的雜散光子，它在系 統(tǒng)中同樣會被放大，因此在放大過程中存在噪聲與種子光相互競爭的情況。實(shí)例 證明，當(dāng)圓錐輻射的光強(qiáng)在產(chǎn)生圓錐輻射的域值附近區(qū)域內(nèi)絕對強(qiáng)度很小，并且 隨種子光呈相似的線性增長規(guī)律時(shí)，二者競爭可以忽略；但是在高泵浦光強(qiáng)條件 下，被泵浦脈沖激發(fā)出的雜散光子噪聲，在系統(tǒng)中也會獲得高倍放大(自發(fā)超熒光 現(xiàn)象)，此時(shí)競爭現(xiàn)象就不能被忽略，二者的競爭將會導(dǎo)致種子光信號放大倍數(shù)的 減小和非線性(如圖8所示)。如圖2所示，本發(fā)明參量放大信號探測系統(tǒng)11，用于實(shí)現(xiàn)參量放大系統(tǒng)10輸出的放大種子光信號的檢測，該系統(tǒng)包括濾波元件(如濾波片)、檢偏元件(如 偏振棱鏡)、信號耦合元件(如光學(xué)聚焦系統(tǒng))、信號傳輸元件(如光纖)、強(qiáng)度探測單元(如光電倍增管)和光譜探測單元(如光譜儀，CCD探測器)等。強(qiáng)度探測與光譜探測均采用同步探測的方式，原理是采用同步記錄參量放大信號與圓 錐輻射信號，并利用圓錐輻射的強(qiáng)度進(jìn)行參比修正。通過對這種參比的修正，可 以克服激光脈沖的不穩(wěn)定性對測量結(jié)果的影響，從而能在高靈敏度下大幅度提高系統(tǒng)信噪比。對于光譜探測的方式，其記錄方法為(1)雙路光譜儀同步記錄的方式 一路記錄經(jīng)參量放大信號光譜，另一路記 錄未被種子光(譜)覆蓋處的圓錐輻射光譜，作為參比實(shí)時(shí)修正的輸入信息。該方式可以采用雙路硬件同步光纖光譜儀，也可以采用成像光譜儀+ CCD的探測方式。(2)簡化的同步記錄方式在某些條件下，可以采用單路光譜儀記錄參量放 大信號光譜，由于參量放大信號光譜中未被種子光覆蓋的波長范圍對應(yīng)于圓錐輻 射，可以利用圓錐輻射光譜進(jìn)行統(tǒng)一參比修正，因此通過參比修正前后的效果(如 圖9、圖10所示)，可以看出信噪比有非常大的改善。光譜同步探測儀的探測系統(tǒng)對放大種子光信號的探測，可根據(jù)波長及探測器的情況要求選用"信號光直接探測"及"閑頻光探測"兩種方法(1) (放大種子光信號)直接探測法這種方法相對簡單，適用于信號波長 在探測器工作范圍內(nèi)的情況；(2) 閑頻光探測法當(dāng)參量放大信號超出探測器工作范圍時(shí)(如利用可見光 探頭探測紅外信號)，注意到閑頻光信號與放大種子光信號是同時(shí)產(chǎn)生互為共軛 的，而且閑頻光的強(qiáng)度及其隨時(shí)間的變化與種子光的放大信號相一致，因而通過 探測放大過程中產(chǎn)生的閑頻光信號，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對放大種子光信號的探測。如圖2所示，本發(fā)明參量放大信號處理系統(tǒng)12，是本發(fā)明中央信號處理與控 制系統(tǒng)，參量放大信號處理系統(tǒng)12，用于參比修正處理，其輸入、輸出端通過自 己的接口電路，分別與參量放大信號探測系統(tǒng)11的輸出端及光學(xué)延遲系統(tǒng)4的輸入端連接。參量放大信號處理系統(tǒng)12的主要作用是通過計(jì)算機(jī)軟件(比如應(yīng)用 labview等軟件)、硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)同步信號處理和延遲控制兩個(gè)功能(1) 信號處理，首先從參量放大信號探測系統(tǒng)ll讀出雙路強(qiáng)度與光譜信號， 利用軟件實(shí)現(xiàn)對背景的消除與噪聲的抑制，對雙路信號進(jìn)行參比，消除系統(tǒng)漲落 的影響，得到正確的強(qiáng)度或光譜輸出。(2) 延遲控制，通過控制時(shí)間延遲控制系統(tǒng)4來實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨探測，并根據(jù) 設(shè)置與信號處理情況自動對光學(xué)時(shí)間延遲進(jìn)行掃描，使系統(tǒng)自動進(jìn)行"信號檢測 一分析一時(shí)間延遲改變"的檢測循環(huán)。本發(fā)明方法實(shí)施時(shí)主要包括以下步驟(1) 激光脈沖光源系統(tǒng)l產(chǎn)生的超短激光脈沖經(jīng)過能量調(diào)節(jié)、準(zhǔn)直縮束及空間濾波系統(tǒng)2優(yōu)化選擇，由光學(xué)分束系統(tǒng)3分成兩路，其中一路通過泵浦脈沖頻 率變換與偏振控制系統(tǒng)8和泵浦脈沖耦合系統(tǒng)9;另一路通過時(shí)間延遲控制系統(tǒng)4 和種子激發(fā)脈沖頻率變換與偏振控制系統(tǒng)5，送至種子樣品激發(fā)樣品6產(chǎn)生種子光 信號，然后由種子光信號收集耦合系統(tǒng)7收集；(2) 收集后的種子光信號與泵浦脈沖，以一定匹配角度入射到參量放大系統(tǒng)10，使參量放大系統(tǒng)10以線性放大狀態(tài)對樣品種子光信號進(jìn)行超快放大；(3) 利用參量放大信號探測系統(tǒng)ll，依次完成信號探測、記錄、參比修正， 以及對放大種子光信號的超快光譜分析與時(shí)間分辨測量處理，給出相應(yīng)的檢測結(jié) 果；(4) 在參量放大信號處理系統(tǒng)12中，通過對時(shí)間延遲控制系統(tǒng)4的調(diào)整，改變種子光信號相對于泵浦脈沖的相對延遲，使二者處在可調(diào)節(jié)的時(shí)間相關(guān)狀態(tài)，重復(fù)步驟(3)，得出種子光隨時(shí)間演化的超快時(shí)間分辨測量結(jié)果。下面通過具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述。 實(shí)施例一 水的超連續(xù)白光放大如圖11所示，超短激光脈沖光源系統(tǒng)1釆用鈦藍(lán)寶石飛秒激光器和激光倍頻 晶體，激光倍頻晶體應(yīng)是能工作在從紅外到紫外波段、且其折射率能與該工作波段的光學(xué)參量相位匹配的非線性晶體，如BB0晶體、KTP晶體、LiNb03晶體等。本 實(shí)施例采用晶體BBO (該晶體用于倍頻，記為BB01)，并將其設(shè)置在能量調(diào)節(jié)、 準(zhǔn)直縮束和空間濾波系統(tǒng)2之后。飛秒激光器輸出中心波長為800皿，脈寬為 120fs，能量為400u J，重復(fù)頻率為lkHz的紅外脈沖，該脈沖經(jīng)過能量調(diào)節(jié)、準(zhǔn) 直縮束和空間濾波系統(tǒng)2后，經(jīng)BB01倍頻，得到波長為400nm，能量為70uJ的 飛秒脈沖。該飛秒脈沖經(jīng)過光學(xué)分束系統(tǒng)3的分束鏡BS分束后，400nm倍頻脈沖 經(jīng)過超快時(shí)間延遲控制系統(tǒng)4的超精細(xì)數(shù)控移動平臺，泵浦脈沖頻率變換與偏振 控制系統(tǒng)8和泵浦脈沖耦合系統(tǒng)9的全反射鏡M4、 M5，透鏡L2等部件處理后作為 泵浦脈沖送至參量放大系統(tǒng)10。另一路基頻脈沖則經(jīng)過種子激發(fā)脈沖頻率變換與 偏振控制系統(tǒng)5的全反射鏡M1、 M2、 M3，起偏器P1，檢偏器P2，作為種子激發(fā)脈 沖用來直接激發(fā)作為樣品的水，以獲得水的超連續(xù)白光光譜。系統(tǒng)中的種子光信 號收集耦合系統(tǒng)7采用透鏡L1、 L2的收集耦合系統(tǒng)(如圖3中a所示)，其中透 鏡Ll對散射的種子光信號進(jìn)行收集，透鏡L2將種子光會聚耦合到參量放大系統(tǒng) 10，精細(xì)調(diào)節(jié)種子光信號收集耦合系統(tǒng)7，使其獲得最佳耦合狀態(tài)，并加以強(qiáng)衰減 作為種子光信號。本實(shí)施例中的參量放大系統(tǒng)10中采用寬帶參量放大的非線性晶 體，選擇lmm厚的BBO晶體(用于參量放大，記為BB02)，該晶體BBO2以24°的第 一類相位匹配角度切割，收集方式中采用圓錐輻射中各個(gè)波長重疊的匹配方式。 同理，參量放大系統(tǒng)10中也可以釆用其它非線性晶體如KTP晶體、LiNb03晶體等 作為激光倍頻晶體。參量放大信號探測系統(tǒng)ll采用同步探測光纖光譜儀，且利用 單路光譜儀記錄圓錐輻射與參量放大信號光譜進(jìn)行測量。如圖4所示，當(dāng)較強(qiáng)的400nm泵浦脈沖通過全反射鏡M5聚焦到BB0、曰日體上時(shí)，晶體產(chǎn)生明顯的彩色圓錐輻射，光環(huán)在整個(gè)接收平面內(nèi)呈旋轉(zhuǎn)對稱均勻分布。在 泵浦脈沖波矢與參量放大晶體BB02光軸夾角比較小時(shí)，光環(huán)內(nèi)部呈現(xiàn)長波光環(huán)， 而角度比較大時(shí)，長波光環(huán)分布在圓錐輻射的外部，在中間的某個(gè)角度范圍內(nèi)， 波長在大范圍內(nèi)彼此重合，呈現(xiàn)單一的橙色光環(huán)。理論計(jì)算也表明(如圖5所示)， 在參量放大晶體內(nèi)泵浦光與光軸夾角為31.5'附近時(shí)，500 750nm范圍內(nèi)不同波長 具有相似的匹配角度，其匹配角度對波長的二階導(dǎo)數(shù)為O，這個(gè)角度對應(yīng)了觀察到 的各個(gè)圓錐輻射波長空間重疊的現(xiàn)象。如圖6所示，在本實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)泵浦脈沖能量低于30n J的階段，系統(tǒng)的 放大能力緩慢增加并最終出現(xiàn)圓錐輻射。隨后，系統(tǒng)的放大倍數(shù)呈線性增加。達(dá) 到70uJ后，弱信號的放大達(dá)到飽和，不再隨泵浦脈沖能量線性增加。但是，泵 浦脈沖能量的選取并不依賴于具體的絕對脈沖能量，而是以圓錐輻射產(chǎn)生的域值 為基準(zhǔn)，這降低了對激光系統(tǒng)的輸出光強(qiáng)的要求。如圖7所示，是在選定泵浦脈沖工作區(qū)后，改變種子光信號的強(qiáng)度，系統(tǒng)的 放大情況，對于微弱種子光信號，系統(tǒng)的放大呈現(xiàn)良好的線性增長，達(dá)到某個(gè)域 值后，放大種子光信號光強(qiáng)的增長脫離線性。從圖中可以看出該放大系統(tǒng)對種子 光信號有良好的響應(yīng)和放大。如圖8所示，由于所采用的泵浦光能量區(qū)域?yàn)閳A錐輻射被激發(fā)的區(qū)域，在此 區(qū)域內(nèi)存在噪聲與真實(shí)種子光信號間的相互競爭，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圓錐輻射的光 強(qiáng)在圓錐輻射產(chǎn)生域值的臨近區(qū)域內(nèi)其絕對強(qiáng)度很小，并且隨種子光呈相似的線 性增長規(guī)律，表明在泵浦脈沖能量充足的條件下，二者競爭可以忽略。但在高泵 浦光強(qiáng)條件下，二者的競爭將會導(dǎo)致種子光放大倍數(shù)的減小和非線性。在水中產(chǎn)生的超連續(xù)白光脈沖由于水本身以及收集系統(tǒng)光學(xué)元件的色散，最 終形成一系列寬光譜的啁啾脈沖，在500 750nm范圍內(nèi)，時(shí)間離散為4ps。在本 系統(tǒng)中，由于泵浦脈沖同時(shí)作為放大過程的時(shí)間門，因此帶有啁啾的種子光信號 只有比較窄的部分光譜可以被系統(tǒng)放大。如圖12所示，在某個(gè)時(shí)間延遲下，中心 波長為720nm，寬度為40nm的超連續(xù)光譜得到放大，而相鄰的其它光譜則完全沒 有放大信號。隨著延遲線的增加，整個(gè)4ps區(qū)間，被放大的光譜從紅外移動到可 見區(qū)并截止于綠光。該截止波長對應(yīng)于在晶體]3B02的紅外透射范圍內(nèi)可以通過的 閑頻光的波長。在部分消除光路中色散的條件下，參量放大系統(tǒng)10可以顯著的實(shí) 現(xiàn)寬光譜放大，在本實(shí)驗(yàn)裝置中，可以進(jìn)一步獲得超過200nm的同步光譜放大輸 出。實(shí)施例二 DCM染料的熒光放大與實(shí)施例一 "樣品為水"的超連續(xù)白光放大裝置類似，如圖13所示，超短激 光脈沖器采用鈦藍(lán)寶石飛秒激光器和激光倍頻晶體，飛秒激光器輸出為中心波長 800nm，脈寬120fs，能量400uJ，重復(fù)頻率lkHz的紅外脈沖。該脈沖經(jīng)過縮束 準(zhǔn)直(或加入真空小孔空間濾波)后，經(jīng)BB(y倍頻后，得到波長400nm、能量70 u J 的飛秒脈沖，該飛秒脈沖經(jīng)過分束鏡BS分束后，400nm倍頻脈沖經(jīng)過超精細(xì)數(shù)控 移動平臺，全反射鏡M4、 M5，透鏡L2等部件處理后作為泵浦脈沖送至參量放大系 統(tǒng)10。與實(shí)施例一不同的是，剩余的基頻脈沖再次通過倍頻晶體BB(^后，取出400nm 脈沖作為種子激發(fā)脈沖用來激發(fā)乙醇溶液中的DCM染料。參量放大系統(tǒng)10仍采用 lmm厚的BBO晶體作為參量放大晶體BBO2。該晶體BB02以24。的第一類相位匹配角 度切割。種子光信號收集耦合系統(tǒng)7采用第一種方案(如圖3中a所示)，并加 以衰減作為"種子光信號"；參量放大系統(tǒng)10采用圓錐輻射中各個(gè)波長重疊的匹 配方式；參量放大信號探測系統(tǒng)ll采用同步探測光纖光譜儀，利用單路光譜儀記 錄圓錐輻射與參量放大信號光譜進(jìn)行參比修正測量。如圖9所示，給出的是實(shí)際 測得的未經(jīng)參比修正的DCM染料乙醇溶液熒光(參量放大信號)光譜，雖然能從 熒光光譜圖中看出熒光上升過程，但信噪比很差。由于參量放大信號是放大后的 種子光和圓錐輻射的疊加，在沒有被種子光信號覆蓋的區(qū)域，其強(qiáng)度就是測量時(shí) 刻的圓錐輻射的強(qiáng)度。用"圓錐輻射的光譜強(qiáng)度"對這部分區(qū)域測量得到的不同 時(shí)刻的參量放大信號進(jìn)行歸一 (如圖14所示)，就可以消除因系統(tǒng)漲落帶來的放 大信號起伏。如圖10所示，是經(jīng)參比修正后的DCM染料乙醇溶液熒光光譜，可以看到(1) 通過參比修正，很大程度上改善了信噪比，熒光過程清晰；(2) 系統(tǒng)具有飛秒時(shí)間分辨能力；(3) 與穩(wěn)態(tài)熒光光譜結(jié)合起來分析，證明系統(tǒng)的光譜強(qiáng)度具有良好的線性放 大性，不同波長隨時(shí)間變化與熒光動力學(xué)符合；(4) 光譜中不同波長上升沿的不同對應(yīng)于系統(tǒng)造成的啁啾，與理論計(jì)算吻合很好。
權(quán)利要求
1. 一種對種子光信號進(jìn)行超快時(shí)間分辨測量的方法，主要包括以下步驟(1)由激光脈沖光源產(chǎn)生的超短激光脈沖經(jīng)過能量調(diào)節(jié)、準(zhǔn)直縮束及空間濾波系統(tǒng)優(yōu)化選擇后，由光學(xué)分束系統(tǒng)分成兩路，其中一路通過時(shí)間延遲控制系統(tǒng)，然后一路通過參量泵浦脈沖頻率變換與偏振控制系統(tǒng)和泵浦脈沖耦合系統(tǒng)；另一路通過種子激發(fā)脈沖頻率變換與偏振控制系統(tǒng)送至種子樣品，激發(fā)樣品產(chǎn)生種子光信號，并由種子光信號收集耦合系統(tǒng)收集；(2)收集后的種子光信號與泵浦脈沖，以一定匹配角度入射到參量放大系統(tǒng)上，使參量放大系統(tǒng)以線性放大狀態(tài)對樣品種子光信號進(jìn)行超快放大；(3)利用參量放大信號探測系統(tǒng)，依次完成信號探測、記錄、參比修正，以及對放大種子光信號的超快光譜分析與時(shí)間分辨測量處理，給出相應(yīng)的檢測結(jié)果；(4)在參量放大信號處理系統(tǒng)中，通過對時(shí)間延遲控制系統(tǒng)的調(diào)整，改變種子光信號相對于泵浦脈沖的相對延遲，使二者處在可調(diào)節(jié)的時(shí)間相關(guān)狀態(tài)，重復(fù)步驟(3)，得出種子光隨時(shí)間演化的超快時(shí)間分辨測量結(jié)果。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種對種子光信號進(jìn)行超快時(shí)間分辨測量的方法，其 特征在于所述步驟(2)中，使參量放大系統(tǒng)保持線性放大狀態(tài)的條件如下① 入射到參量放大系統(tǒng)的泵浦光強(qiáng)超過能使其產(chǎn)生圓錐輻射的閾值，然后維 持這一強(qiáng)度不變；② 調(diào)整種子光收集耦合系統(tǒng)的工作狀態(tài)，使種子光信號沿著圓錐輻射的錐面 方向入射到參量放大系統(tǒng)的寬帶非線性晶體上；③ 通過對種子光信號收集耦合系統(tǒng)狀態(tài)的調(diào)整，使種子光強(qiáng)保持在低光強(qiáng)狀態(tài)。
3、 如權(quán)利要求1所述的一種對種子光信號進(jìn)行超快時(shí)間分辨測量的方法，其 特征在于所述步驟(3)包括如下步驟① 利用同步探測器與記錄單元，同時(shí)探測、記錄參量放大器輸出的放大種子 光信號，以及圓錐輻射信號；② 利用得到的信號，對參量放大器輸出的放大種子信號進(jìn)行歸一處理，實(shí)現(xiàn) 參比修正；③ 利用同步探測光譜儀的信號分析與計(jì)量單元，以及時(shí)間延遲控制系統(tǒng)，對 放大種子光信號進(jìn)行超快光譜分析與時(shí)間分辨計(jì)量處理。
4、 如權(quán)利要求2所述的一種對種子光信號進(jìn)行超快時(shí)間分辨測量的方法，其特征在于所述步驟(3)包括如下步驟① 利用同步探測器與記錄單元，同時(shí)探測、記錄參量放大器輸出的放大種子 光信號，以及圓錐輻射信號；② 利用得到的信號，對參量放大器輸出的放大種子信號進(jìn)行歸一處理，實(shí)現(xiàn) 參比修正；③ 利用同步探測光譜儀的信號分析與計(jì)量單元，以及時(shí)間延遲控制系統(tǒng)，對 放大種子光信號進(jìn)行超快光譜分析與時(shí)間分辨計(jì)量處理。
5、 如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種對種子光信號進(jìn)行超快時(shí)間分辨測 量的方法，其特征在于采用直接探測法或閑頻光探測法之一對參量放大器輸出 的放大信號進(jìn)行探測與記錄。
6、 如權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的一種對種子光信號進(jìn)行超快時(shí)間分 辨測量的方法，其特征在于所述的信號檢測分析，是通過參量放大信號探測系 統(tǒng)和參量放大信號處理系統(tǒng)完成對參放輸出信號的同步探測與記錄、參比修正處 理，以及對放大種子光信號的高精度光譜探測與超快時(shí)間分辨力計(jì)量；所述的參量放大信號探測系統(tǒng)通過激光信號耦合部件與參量放大輸出相接， 用于同步探測、記錄參量放大器輸出的放大種子信號光譜和未被放大種子信號光 譜覆蓋區(qū)域的圓錐輻射光譜；所述的參量放大信號處理系統(tǒng)，用于參比修正處理，其輸入、輸出端通過自 己的接口電路，分別與所述參量放大信號探測系統(tǒng)的輸出端及光學(xué)延遲系統(tǒng)的輸 入端連接。
7、 如權(quán)利要求1 6所述的一種對種子光信號進(jìn)行超快時(shí)間分辨測量的方法， 其特征在于所述參量放大信號探測系統(tǒng)對于光譜探測的方式的記錄方法為下列 方法之一(1) 雙路光譜儀同步記錄的方式采用雙路硬件同步光纖光譜儀或成像光譜 儀+ CCD， 一路記錄經(jīng)參量放大信號光譜，另一路記錄未被種子光覆蓋處的圓錐輻 射光譜，作為參比實(shí)時(shí)修正的輸入信息；(2) 簡化的同步記錄方式用單路光譜儀記錄參量放大信號光譜，利用圓錐 輻射光譜進(jìn)行統(tǒng)一參比修正。
8、 一種實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1 7對種子光信號進(jìn)行超快時(shí)間分辨測量方法的裝 置，其特征在于它包括激光脈沖光源系統(tǒng)，能量調(diào)節(jié)、準(zhǔn)直縮束及空間濾波系 統(tǒng)，光學(xué)分束系統(tǒng)，時(shí)間延遲控制系統(tǒng)，種子激發(fā)脈沖頻率變換與偏振控制系統(tǒng)， 樣品，種子光信號收集耦合系統(tǒng)，泵浦脈沖頻率變換與偏振控制系統(tǒng)，泵浦脈沖耦合系統(tǒng)，參量放大系統(tǒng)，參量放大信號探測系統(tǒng)，參量放大信號處理系統(tǒng)；所 述能量調(diào)節(jié)、準(zhǔn)直縮束及空間濾波系統(tǒng)的輸入端和輸出端分別與激光脈沖光源系 統(tǒng)和光學(xué)分束系統(tǒng)相鄰，通過光學(xué)分束系統(tǒng)分束后其中一支路中設(shè)置有一時(shí)間延 遲控制系統(tǒng)，兩光路中的一支路是依次設(shè)置的所述種子激發(fā)脈沖頻率變換與偏振 控制系統(tǒng)，樣品和種子光信號收集耦合系統(tǒng)的種子激發(fā)脈沖光路，另一支是依次 設(shè)置的所述泵浦脈沖頻率變換與偏振控制系統(tǒng)和泵浦脈沖耦合系統(tǒng)的參量泵浦脈 沖光路，所述兩光路匯集于所述參量放大系統(tǒng)，所述參量放大信號探測系統(tǒng)和參 量放大信號處理系統(tǒng)依次設(shè)置在所述參量放大系統(tǒng)之后。
9、 如權(quán)利要求8所述的一種對種子光信號進(jìn)行超快時(shí)間分辨測量的裝置，其 特征在于所述的時(shí)間延遲控制系統(tǒng)為由超精細(xì)數(shù)控移動平臺作為控制部件的時(shí) 間延遲控制系統(tǒng)，所述時(shí)間延遲控制系統(tǒng)置于所述參量泵浦脈沖光路中。
10、 如權(quán)利要求8所述的一種對種子光信號進(jìn)行超快時(shí)間分辨測量的裝置， 其特征在于所述的時(shí)間延遲控制系統(tǒng)為由超精細(xì)數(shù)控移動平臺作為控制部件的 時(shí)間延遲控制系統(tǒng)，所述時(shí)間延遲控制系統(tǒng)置于所述種子激發(fā)脈沖光路中。
11、 如權(quán)利要求8或9或10所述的一種對種子光信號進(jìn)行超快時(shí)間分辨測量 的裝置，其特征在于所述樣品前的種子激發(fā)脈沖光路中設(shè)置有起偏器，在種子 光收集耦合系統(tǒng)的后面設(shè)置有檢偏器，以實(shí)現(xiàn)對種子光的偏振相關(guān)檢測。
12、 如權(quán)利要求8 11所述的一種對種子光信號進(jìn)行超快時(shí)間分辨測量的裝 置，其特征在于所述的種子光收集耦合系統(tǒng)為透鏡收集耦合系統(tǒng)，所述透鏡收 集耦合系統(tǒng)為兩透鏡組成的透鏡組或單透鏡或顯微物鏡組成。
13、 如權(quán)利要求8 11所述的一種對種子光信號進(jìn)行超快時(shí)間分辨測量的裝置，其特征在于所述的種子光收集耦合系統(tǒng)為"全反射會聚式"收集耦合系統(tǒng)。
14、 如權(quán)利要求8 11所述的一種對種子光信號進(jìn)行超快時(shí)間分辨測量的裝置，其特征在于所述的種子光收集耦合系統(tǒng)為光纖收集耦合系統(tǒng)，所述光纖收 集耦合系統(tǒng)，由頭尾依次相接的第一透鏡、光纖和第二透鏡組成。
15、 如權(quán)利要求8 14所述的一種對種子光信號進(jìn)行超快時(shí)間分辨測量的裝置，其特征在于所述的參量放大信號探測系統(tǒng)為雙路光纖光譜儀或成像光譜儀+CCD或單路光譜儀中的一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對種子光信號進(jìn)行超快時(shí)間分辨測量的方法及裝置，主要包括以下步驟(1)由激光脈沖光源產(chǎn)生的超短激光脈沖經(jīng)過能量調(diào)節(jié)、準(zhǔn)直縮束及空間濾波系統(tǒng)優(yōu)化選擇后，由光學(xué)分束系統(tǒng)分成兩路，其中一路通過時(shí)間延遲控制系統(tǒng)，然后一路通過參量泵浦脈沖光路；另一路通過種子激發(fā)脈沖光路；(2)收集后的種子光信號與泵浦脈沖，以一定匹配角度入射到參量放大系統(tǒng)上，使參量放大系統(tǒng)以線性放大狀態(tài)對樣品種子光信號進(jìn)行超快放大；(3)利用參量放大信號探測系統(tǒng)完成信號探測、記錄、參比修正，以及對放大種子光信號的超快光譜分析與時(shí)間分辨測量處理，給出相應(yīng)的檢測結(jié)果。本發(fā)明可以使微弱的種子光信號被放大，并且實(shí)現(xiàn)超快時(shí)間分辨的探測，是超快光譜學(xué)領(lǐng)域的一種新探測方法。
文檔編號G01J11/00GK101271025SQ20071006456
公開日2008年9月24日 申請日期2007年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月20日
發(fā)明者李鋒銘, 宏 楊, 王樹峰, 龔旗煌 申請人:北京大學(xué)