本發(fā)明涉及光學(xué)儀器，具體涉及一種二維光譜裝置。

背景技術(shù)：

二維光譜是通過監(jiān)測分子的某個電子態(tài)或振動模式的譜帶在一段超快時間間隔的起始時刻與終止時刻的頻率的相關(guān)度來監(jiān)測分子的超快動態(tài)變化。通過獲得在不同時間間隔的一系列二維光譜，可以在線監(jiān)測分子體系的動態(tài)變化。二維光譜技術(shù)是將第一、第二和第三束光先后入射到樣品上，通過不斷改變第一束光和第二束光入射到樣品的時間間隔，并在時域上做傅里葉變換從而獲得激發(fā)頻率的相位信息。通過光譜儀測量樣品在前三束光的作用下產(chǎn)生的輻射光的信號，并做傅里葉變換從而獲得探測頻率域的信息。在第三束光入射到樣品后(通常幾百飛秒)將第四束光入射到樣品上，樣品發(fā)射的輻射光與第四束光發(fā)生干涉，通過光譜儀測量干涉光的信號從而獲得干涉光的功率譜和頻率相位。因此二維光譜作為一種新興的光譜技術(shù)，廣泛應(yīng)用在生物和半導(dǎo)體樣品能級耦合的測量中。

現(xiàn)有的二維光譜裝置通常采用光柵或空間光調(diào)制器將兩束激光分成四束激光。但是光柵對入射光的損耗非常大，另外要求入射光的光譜不能太寬(在200nm以內(nèi))，因此限制了其在商業(yè)上的應(yīng)用范圍。而空間光調(diào)制器的成本高、裝置復(fù)雜，因此也限制了其在商業(yè)上的應(yīng)用范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的二維光譜裝置存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一個實(shí)施例提供了一種二維光譜裝置，包括：

第一分束片，用于將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；

第一反射裝置，用于將所述第一入射光沿第一方向反射從而獲得第三入射光；

第二反射裝置，用于將所述第二入射光沿第二方向反射從而獲得與所述第三入射光非共面的第四入射光；

第二分束片，用于將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，以及用于將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；

聚焦裝置；

第三反射裝置，用于將所述第一光束至第四光束沿相同方向入射到所述聚焦裝置上；以及

調(diào)節(jié)裝置，用于調(diào)節(jié)所述第一光束和第二光束入射到所述聚焦裝置的時間間隔。

優(yōu)選的，所述第三反射裝置用于將所述第一光束至第四光束沿所述聚焦裝置的光軸反射到所述聚焦裝置上，且使得所述第一光束的光程等于所述第二光束的光程。

優(yōu)選的，所述第三反射裝置包括：第一反射鏡，用于將所述第二光束和第三光束沿所述聚焦裝置的光軸反射到所述聚焦裝置上；以及第二反射鏡和第三反射鏡，用于將所述第一光束和第四光束沿所述聚焦裝置的光軸反射到所述聚焦裝置上。

優(yōu)選的，所述聚焦裝置的光軸平行所述第一方向，所述第二反射鏡和第三反射鏡平行。

優(yōu)選的，所述調(diào)節(jié)裝置包括位于所述第一光束的光路上的第一光楔對和/或位于所述第二光束的光路上的第二光楔對。

優(yōu)選的，所述第二反射裝置包括：中空角鏡，用于接收所述第一分束片分出的所述第二入射光；以及第四反射鏡，用于將所述中空角鏡的出射光沿所述第二方向反射至所述第二分束片。

優(yōu)選的，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。

優(yōu)選的，所述第一反射裝置包括依次反射所述第一入射光的第五反射鏡、第六反射鏡和第七反射鏡，所述第五反射鏡與所述第一分束片垂直，所述第六反射鏡與所述第五反射鏡垂直，所述第七反射鏡與所述第五反射鏡平行。

優(yōu)選的，所述聚焦裝置為凹面鏡。

優(yōu)選的，所述二維光譜裝置還包括第八反射鏡，用于反射所述聚焦裝 置聚焦的第一光束至第四光束。

本發(fā)明的二維光譜裝置對入射光的光譜并無限制，且對光的損耗??；能夠消除鏡片抖動對相位的改變，從而提高二維光譜裝置的穩(wěn)定性；另外裝置簡單、質(zhì)量輕和體積小。

附圖說明

以下參照附圖對本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說明，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明第一個實(shí)施例的二維光譜裝置的光路圖。

圖2是圖1中的二維光譜裝置中的一個分束片的立體示意圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明第二個實(shí)施例的二維光譜裝置的光路圖。

圖4是根據(jù)本發(fā)明第三個實(shí)施例的二維光譜裝置的光路圖。

圖5是根據(jù)本發(fā)明第四個實(shí)施例的二維光譜裝置的光路圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖通過具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1是根據(jù)本發(fā)明第一個實(shí)施例的二維光譜裝置的光路圖。如圖1所示，二維光譜裝置100包括分束片110、第一反射裝置120、第二反射裝置130、分束片140、第三反射裝置150和調(diào)節(jié)裝置160。

飛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分別入射至第一反射裝置120和第二反射裝置130。

第一反射裝置120包括依次反射第一入射光111的反射鏡121、反射鏡122和反射鏡123。第一入射光111依次經(jīng)過反射鏡121、122、123反射后沿第一方向D1射出，從而獲得第三入射光111’。

第二反射裝置130包括中空角鏡131和反射鏡132。中空角鏡131是一個由三個互相垂直的反射鏡組成的反射系統(tǒng)，入射到其上的光束經(jīng)兩次反射后平行出射，因此它可以有效抵消平移臺的左右抖動和上下抖動對光路的影響，從而有效提高整個測量系統(tǒng)的信噪比。第二入射光112入射至中空角鏡131中，從中空角鏡131平行出射的光線入射至反射鏡132上，反射鏡132將第二入射光112沿第二方向D2反射，從而獲得第四入射光112’。由于中空角鏡131的入射光和出射光與固定二維光譜裝置100的平 臺(圖1未示出)的距離不同，因此經(jīng)過反射鏡132反射得到的第四入射光112’與經(jīng)過反射鏡123反射得到的第三入射光111’并不在同一平面上。

本實(shí)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。這樣在平臺上可以方便調(diào)節(jié)光學(xué)器件的角度以及位置，例如分束片110與第二方向D2的夾角為45°，反射鏡121垂直于分束片110，反射鏡122垂直反射鏡121，反射鏡123平行反射鏡121。

圖2是圖1中的二維光譜裝置中的分束片140的立體示意圖。如圖2所示，分束片140與第三入射光111’的夾角等于其與第四入射光112’的夾角。因此分束片140將第四入射光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，且將第三入射光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。

再次參考圖1，第三反射裝置150包括反射鏡151、反射鏡152和反射鏡153。反射鏡151將第二光束142和第三光束143以平行凹面鏡170光軸反射至凹面鏡170上；反射鏡152和反射鏡153將第一光束141和第四光束144以平行凹面鏡170光軸反射至凹面鏡170上。本實(shí)施例的凹面鏡170的光軸平行于第一方向D1，從而方便精密調(diào)節(jié)第三反射裝置150的位置。凹面鏡170可避免飛秒激光的光線發(fā)生變形，使得平行于其光軸的第一光束141～第四光束144聚焦在同一點(diǎn)。

調(diào)節(jié)裝置160包括位于第一光束141光路上的光楔對161和位于第二光束142光路上的光楔對162。通過調(diào)節(jié)光楔對161、162在光路上的厚度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)第一光束141和第二光束142到凹面鏡170的時間間隔。

二維光譜裝置100還包括反射鏡171，用于將凹面鏡170聚焦的第一光束141～第四光束144反射至樣品180的同一位置。

第一光束141和第二光束142的時間間隔通常在0-120飛秒之間，因此兩者的最大光程差僅為36微米。由于一個光楔對能夠?qū)膺M(jìn)行延遲的范圍為0-400飛秒，因此在實(shí)驗(yàn)或測試過程中通過調(diào)節(jié)反射鏡152和反射鏡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。

本實(shí)施例的第二反射裝置130中的中空角鏡131增加了第二入射光112到分束片140的光程，因此本實(shí)施例中的第一反射裝置120的另一個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，進(jìn)而 實(shí)現(xiàn)第三光束143在第一光束141之后入射到樣品180上。因此當(dāng)中空角鏡131沿著第一方向D1移動以增加第一光束141的光程或沿著第一方向D1的反方向移動以減小第一光束141的光程過程中，作為探測光的第四光束144的光程并不改變，這樣有利于提高測量穩(wěn)定性。

本發(fā)明的二維光譜裝置100中的第一入射光111和第二入射光112來自激光器發(fā)出的同一束飛秒激光，且第一光束141和第二光束142都來自第四入射光112’，第三光束143和第四光束144都來自第三入射光111’，分束后第一光束141和第四光束144共用鏡片，第二光束142和第三光束143共用鏡片，因此樣品的輻射光與第四光束144干涉后光信號的相位的改變量為零。因此采用分束片110和分束片140以及共用鏡片能夠消除鏡片抖動對相位的改變，從而提高二維光譜裝置100的穩(wěn)定性。本發(fā)明的二維光譜裝置并不存在對光進(jìn)行衍射，因此對入射光的光譜并無限制，且對光的損耗??；另外裝置簡單、質(zhì)量輕和體積小。

圖3是根據(jù)本發(fā)明第二個實(shí)施例的二維光譜裝置的光路圖。其與圖1基本相同，區(qū)別在于，二維光譜裝置200中的第一反射裝置220為一個反射鏡，其用于將第一入射光111沿第一方向D1反射，從而獲得第三入射光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，因此調(diào)節(jié)裝置160中的光楔對161、162分別位于第三入射光111’經(jīng)過分束片140透射和反射后的光路上。

圖4是根據(jù)本發(fā)明第三個實(shí)施例的二維光譜裝置的光路圖。其與圖1基本相同，區(qū)別在于，凹面鏡170的光軸與第二方向D2的夾角不等于0°或90°，以及二維光譜裝置300中的第三反射裝置包括反射鏡351和反射鏡352，其中反射鏡351用于將第二光束142和第三光束143沿凹面鏡170的光軸反射至凹面鏡170上，反射鏡352用于將第一光束141和第四光束144沿凹面鏡170的光軸反射至凹面鏡170上。通過調(diào)節(jié)反射鏡351、352與分束片140的距離和夾角，使得第一光束141和第二光束142到凹面鏡170的光程相等或近似相等。

圖5是根據(jù)本發(fā)明第四個實(shí)施例的二維光譜裝置的光路圖。其與圖1基本相同，區(qū)別在于，二維光譜裝置400中的凹面鏡170的光軸平行于第二方向D2，反射鏡152、153用于將第二光束142和第三光束143沿第二方向D2反射至凹面鏡170上，反射鏡151將第一光束141和第四光束144沿第一方向D1反射至凹面鏡170上。

在其他的實(shí)施例中，第一方向D1和第二方向D2的夾角可以不等于90°。

在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，還可以采用兩個嚴(yán)格垂直的反射鏡替換上述實(shí)施例中的中空角鏡131。

在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，可以不具有反射鏡171，在對樣品進(jìn)行測試過程中，將樣品180直接放置在凹面鏡170的焦點(diǎn)處。

本發(fā)明的聚焦裝置并不限于凹面鏡170，還可以是其他能將平行光聚焦的聚焦裝置。

本發(fā)明的調(diào)節(jié)裝置160可以包括多于或少于兩個光楔對，例如位于第一光束141或第二光束142的光路上的一個光楔對。

雖然本發(fā)明已經(jīng)通過優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，然而本發(fā)明并非局限于這里所描述的實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下還包括所作出的各種改變以及變化。