本實(shí)用新型屬于布里淵散射測(cè)量裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于測(cè)量高壓條件下待測(cè)樣品的布里淵散射的裝置。

背景技術(shù)：

高壓物理學(xué)作為研究物質(zhì)在高壓作用下物理行為的一門學(xué)科，其研究對(duì)象主要以凝聚態(tài)物質(zhì)為主，其研究領(lǐng)域幾乎包含凝聚態(tài)物理學(xué)的全部分支。高壓對(duì)物質(zhì)的基本作用在于它縮短了原子間距離，提高了相鄰電子軌道間的重合程度。原子間距離的變化導(dǎo)致晶格的重新排列，引發(fā)結(jié)構(gòu)相變，相鄰電子軌道重合程度的提高引發(fā)電子相變。因此高壓科學(xué)研究可以得到在高壓條件下的物質(zhì)變化信息。

高壓下各種物理量的檢測(cè)都需特殊精巧的專門實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法。20世紀(jì)70年代，激光技術(shù)、同步輻射等技術(shù)和高壓技術(shù)的結(jié)合，將高壓物理研究發(fā)展到一個(gè)新層次。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局首先開展了高壓紅外光譜測(cè)量。接著，人們研究了高壓腔中物質(zhì)的拉曼光譜，創(chuàng)立了以受激拉曼光譜為基礎(chǔ)的新的高壓光譜技術(shù)。和物質(zhì)的拉曼光譜測(cè)量類似，物質(zhì)的布里淵散射與高壓技術(shù)也能夠很好地結(jié)合在一起。利用布里淵散射光譜，可進(jìn)行微區(qū)(幾十微米)測(cè)量，且不需要將樣品與探測(cè)儀器相接觸，所以可以利用布里淵散射對(duì)樣品在高壓環(huán)境下的性質(zhì)進(jìn)行研究。通過對(duì)布里淵散射頻移的測(cè)定，可以精確計(jì)算出高壓下物質(zhì)的聲速、彈性系數(shù)等基本物理量。

和拉曼散射散射相比，布里淵散射和激光器本身的泵浦入射光之間的頻移較小，難以利用常規(guī)的技術(shù)手段將其從所有的散射及反射光中區(qū)分出來。目前進(jìn)行高壓條件下布里淵散射的測(cè)量方法主要由以下幾種：

在先方案之一是采用斐索干涉儀【參見：A.S.Meijer,A.S.de Wijn,M.F.E.Peters,N.J.Dam,W.van de Water,coherent Rayleigh-Brillouin scattering measurements of bulk viscosity of polar and nonpolar gases,and kinetic theory,the Journal of Chemical Physics,133,2010,1643151-9.】。該技術(shù)采用斐索干涉儀，檢測(cè)高壓腔中散射的瑞利散射光和的布里淵散射光，實(shí)驗(yàn)中需要采用額外的寬線寬的激光器產(chǎn)生瑞利散射，增加了系統(tǒng)成本，且瑞利散射的光強(qiáng)較弱，斐索干涉儀分辨率不高。

在先方案之二是采用法布里-珀羅干涉儀(FPI)【參見：Min-Seok Jeong,Jae-Hyeon Ko,Young Ho Ko,Kwang Joo Kim,High-pressure acoustic properties of glycerol studied by Brillouin spectroscopy,Physica B,2015,478:27-30.】【參見：Lindsay S.M.,Anderson M.W.,Sandercock J.R.,Construction and alignment of a high performance multipass vernier tandem Fabry-Perot interferomrter[J].Review of Scientific Instruments,1981,52(10):1478-1486.】。該方案中FPI的測(cè)量精度較在先方案一中斐索干涉儀的精度高，已成為當(dāng)前高壓物理領(lǐng)域布里淵散射光測(cè)量的主流方案。但是該FPI的成本較高，目前售價(jià)約為15萬美元，價(jià)值昂貴。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中描述的不足，本實(shí)用新型的目的是提供一種檢測(cè)效果好，成本低，光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的一種用于測(cè)量高壓條件下待測(cè)樣品的布里淵散射的裝置。

為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案如下：

一種用于測(cè)量高壓條件下待測(cè)樣本的布里淵散射的裝置，包括第一半反半透鏡，第一半反半透鏡將激光器的發(fā)射光a分為傳播方向相互垂直的第一透射光b和第一反射光c；第一透射光b經(jīng)第二半反半透鏡分為傳播方向相互垂直的第二透射光d和第二反射光e；第二透射光d與第一透射光b平行，第二反射光e與第一反射光c平行；第一半反半透鏡和第二半反半透鏡平行；第二透射光d的前進(jìn)方向與第一反射鏡的反射面法線方向成30°，第二透射光d經(jīng)第一反射鏡反射改變前進(jìn)方向，并從高壓腔的第二窗口進(jìn)入高壓腔內(nèi)；第二反射光e經(jīng)第三半反半透鏡反射形成第三反射光k，第三反射光k水平從高壓腔的第一窗口進(jìn)入高壓腔內(nèi)；第二透射光d和第三反射光k在高壓腔內(nèi)泵浦待測(cè)樣品產(chǎn)生布里淵散射光f，布里淵散射光f從第一窗口水平輸出，且布里淵散射光f的前進(jìn)方向與發(fā)射光a平行且相反；布里淵散射光f經(jīng)第二反射鏡改變前進(jìn)方向，改變前進(jìn)方向后的布里淵散射光f豎直射入第四半反半透鏡，且射入方向與第四半反半透鏡的分光面成45°；第四半反半透鏡與第一半反半透鏡平行；第一反射光c垂直射入電光調(diào)制器內(nèi)進(jìn)行調(diào)制形成調(diào)制光g，電驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電光調(diào)制器在零階主峰附近產(chǎn)生頻率為ν_LO的一階邊帶，調(diào)制光g從電光調(diào)制器射出；調(diào)制光g經(jīng)第三 反射鏡反射后水平射入第四半反半透鏡內(nèi)，調(diào)制光g與布里淵散射光f在第四半反半透鏡內(nèi)發(fā)生干涉形成干涉光h，干涉光h從第四半反半透鏡內(nèi)射出并水平射入平衡光電探測(cè)器內(nèi)，平衡光電探測(cè)器將接收到的干涉光h在頻譜儀上顯示。

所述第一半反半透鏡的分光面與發(fā)射光a成45°。

改變前進(jìn)方向的第二透射光d與第二窗口62的水平面成60°。

所述調(diào)制光g從電光調(diào)制器的射出方向與第一反射光c的前進(jìn)方向平行。

所述干涉光h的前進(jìn)方向與發(fā)射光a的前進(jìn)方向平行。

本實(shí)用新型的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是：

1、本實(shí)用新型充分利用光學(xué)相干檢測(cè)技術(shù)，引入電光調(diào)制器的一階邊帶作為本地光，實(shí)現(xiàn)待測(cè)樣品中布里淵散射光的提取，同時(shí)對(duì)微弱布里淵散射進(jìn)行光學(xué)放大，為高壓腔中樣品的布里淵散射信號(hào)分析提供了一種檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法。

2、本實(shí)用新型僅利用一臺(tái)電光調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)了布里淵散射光的提取，光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)約了成本，有利于實(shí)用化。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型電光調(diào)制器的一節(jié)邊帶示意圖。

圖2為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖2所示，一種用于測(cè)量高壓條件下待測(cè)樣本的布里淵散射的裝置，包括第一半反半透鏡2，第一半反半透鏡2將激光器1的發(fā)射光a分為傳播方向相互垂直的第一透射光b和第一反射光c。

第一透射光b經(jīng)第二半反半透鏡3分為傳播方向相互垂直的第二透射光d和第二反射光e。第二透射光d與第一透射光b平行，第二反射光e與第一反射光c平行。第一半反半透鏡2和第二半反半透鏡3平行且第一半反半透鏡2的分光面與發(fā)射光a成45°。

第二透射光d的前進(jìn)方向與第一反射鏡7的反射面法線方向成30°，第二透射光d經(jīng)第一反射鏡7反射改變前進(jìn)方向，并從高壓腔6的第二窗口62進(jìn)入高壓腔6內(nèi)；改變前進(jìn)方向的第二透射光d與第二窗口62的水平面成60°。

第二反射光e經(jīng)第三半反半透鏡5反射形成第三反射光k，第三反射光k水 平從高壓腔6的第一窗口61進(jìn)入高壓腔6內(nèi)。

第二透射光d和第三反射光k在高壓腔6內(nèi)泵浦待測(cè)樣品產(chǎn)生布里淵散射光f，布里淵散射光f從第一窗口61水平輸出，且布里淵散射光f的前進(jìn)方向與發(fā)射光a平行且相反。

布里淵散射光f經(jīng)第二反射鏡8改變前進(jìn)方向，改變前進(jìn)方向后的布里淵散射光f豎直射入第四半反半透鏡11，且射入方向與第四半反半透鏡11的分光面成45°。第四半反半透鏡11與第一半反半透鏡2平行。

第一反射光c垂直射入電光調(diào)制器4內(nèi)進(jìn)行調(diào)制形成調(diào)制光g，電驅(qū)動(dòng)模塊9驅(qū)動(dòng)電光調(diào)制器4在零階主峰附近產(chǎn)生頻率為ν_LO的一階邊帶，如圖1所示，調(diào)制光g從電光調(diào)制器4射出，且射出方向與第一反射光c的前進(jìn)方向平行。調(diào)制光g經(jīng)第三反射鏡10反射后水平射入第四半反半透鏡11內(nèi)，調(diào)制光g與布里淵散射光f在第四半反半透鏡11內(nèi)發(fā)生干涉形成干涉光h，干涉光h從第四半反半透鏡11內(nèi)射出并水平射入平衡光電探測(cè)器12內(nèi)，平衡光電探測(cè)器12將接收到的干涉光h在頻譜儀13上顯示，所述干涉光h的前進(jìn)方向與發(fā)射光a的前進(jìn)方向平行。

本實(shí)用新型的核心思想是利用光學(xué)相干檢測(cè)技術(shù)。激光器的發(fā)射光a的一部分光輸入到電光調(diào)制器4，該電光調(diào)制器4受到頻率已知的電驅(qū)動(dòng)模塊9的驅(qū)動(dòng)，使電光調(diào)制器4產(chǎn)生一階邊帶，并將一階邊帶作為相干檢測(cè)時(shí)的本地光。激光器的發(fā)射光a的另一部分通過高壓腔6的第一窗口和第二窗口入射到待測(cè)樣品上，泵浦待測(cè)樣品，產(chǎn)生和樣品物質(zhì)特性相關(guān)的布里淵散射光f。為了得到和物質(zhì)相關(guān)的聲速和相關(guān)折射率，一般采用專門制作的對(duì)頂砧高壓腔，使得布里淵散射光f和入射光a的另一部分之間分別構(gòu)成180°幾何配置和60°幾何配置。具體原理如下所述：

對(duì)于180°幾何配置：

對(duì)于60°幾何配置：

對(duì)于固定波長(zhǎng)的激光光源，λ已知。如果測(cè)量得到60°幾何配置時(shí)的布里淵頻移ν_B1，那么根據(jù)上式(2)可以計(jì)算得到該壓力條件下待測(cè)樣品的聲速V_a。 接著，如果測(cè)量得到180°幾何配置時(shí)的布里淵頻移ν_B2，那么根據(jù)公式(1)，結(jié)合已求得的聲速V_a，可計(jì)算出待測(cè)物質(zhì)的折射率n。在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步研究物質(zhì)的彈性系數(shù)等。

為了提取布里淵散射信號(hào)，以及測(cè)量該散射信號(hào)在兩種幾何配置條件下的頻移，將本地光和布里淵散射光f進(jìn)行光學(xué)相干拍頻。使用帶寬有限的平衡光電探測(cè)器12將干涉信號(hào)中的低頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，即拍信號(hào)中的差頻信號(hào)，同時(shí)濾除拍信號(hào)中的和頻信號(hào)。之后，利用頻譜儀13測(cè)量獲得干涉信號(hào)的頻譜及其中心頻率。

布里淵散射頻移即為一階邊帶頻率和干涉信號(hào)中心頻率之和。本實(shí)用新型可有效的提取出待測(cè)樣品中的微弱的布里淵散射信號(hào)，同時(shí)能夠測(cè)量樣品的布里淵頻移，可為高壓條件下樣品的物性研究提供方法。

下面以綠光為例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明，如圖2所示，激光器1發(fā)出波長(zhǎng)為532nm的連續(xù)綠光作為發(fā)射光a，它的輸出功率約為200mw。第一半反半透鏡2將發(fā)射光a分為傳播方向相互垂直的第一透射光b和第一反射光c。第一透射光b用于泵浦高壓腔(帶有光學(xué)窗口的對(duì)頂砧)6中的待測(cè)樣品，第一反射光c用于泵浦電光調(diào)制器4。為了獲得待測(cè)物質(zhì)在不同壓力條件下的聲速和折射率，需要對(duì)進(jìn)入對(duì)頂砧的高壓腔6中的光線傳輸方向進(jìn)行調(diào)整。一般采用180°和60°兩種幾何配置，即布里淵散射光和入射光之間的夾角分別為180°和60°。利用第二半反半透鏡3，將用于泵浦布里淵散射的第一透射光b分為傳播方向相互垂直的第二透射光d和第二反射光e。第二反射光e經(jīng)第三半反半透鏡5反射形成第三反射光k，第三反射光k從高壓腔6的第一窗口61水平進(jìn)入高壓腔6內(nèi)，泵浦高壓腔6中的待測(cè)樣品產(chǎn)生布里淵散射光f，布里淵散射光f從第一窗口61水平射出，布里淵散射光f射出方向與第三反射光k的傳播方向呈180°，構(gòu)成180°幾何配置。

第二透射光d和第一反射鏡7的法線方向夾角為30°，第二透射光d經(jīng)第一反射鏡7調(diào)整光線傳播方向，并從高壓腔6的第二窗口62進(jìn)入高壓腔6內(nèi)；第二透射光d泵浦高壓腔6中的待測(cè)樣品產(chǎn)生布里淵散射光f，布里淵散射光f從第一窗口61水平射出，改變前進(jìn)方向的第二透射光d與布里淵散射光f成60°，構(gòu)成60°幾何配置。

布里淵散射光f與激光器的發(fā)射光a之間的頻移為ν_B。布里淵散射光f經(jīng)第二反射鏡8改變前進(jìn)方向，改變前進(jìn)方向后的布里淵散射光f豎直射入第四半反半透鏡11，且射入方向與第四半反半透鏡11的分光面成45°。第四半反半透鏡11與第一半反半透鏡2平行。

電驅(qū)動(dòng)模塊9驅(qū)動(dòng)電光調(diào)制器4，電驅(qū)動(dòng)模塊9的射頻信號(hào)的頻率已知。對(duì)于電光調(diào)制器4的輸出而言，

第一反射光c垂直射入電光調(diào)制器4內(nèi)進(jìn)行調(diào)制形成調(diào)制光g，電驅(qū)動(dòng)模塊9驅(qū)動(dòng)電光調(diào)制器4在零階主峰附近產(chǎn)生頻率為ν_LO的正負(fù)一階邊帶，如圖1所示，該一階邊帶和主峰之間的頻率之差可由電驅(qū)動(dòng)模塊9控制，一階邊帶作為光學(xué)相干檢測(cè)時(shí)的本地光。

調(diào)制光g從電光調(diào)制器4射出，且射出方向與第一反射光c的前進(jìn)方向平行。調(diào)制光g經(jīng)第三反射鏡10反射后水平射入第四半反半透鏡11內(nèi)，調(diào)制光g與布里淵散射光f在第四半反半透鏡11內(nèi)發(fā)生干涉形成干涉光h，平衡光電探測(cè)器12將接收到的干涉光f轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，同時(shí)可濾除從高壓腔6中輸出的端面反射、拉曼散射等雜散光以及相干檢測(cè)時(shí)的高頻信號(hào)V_LO+V_B。利用頻譜儀13，可獲得該相干信號(hào)的中心頻率V₀，該頻率為一階邊帶頻率和布里淵散射光頻率之差，即V₀＝V_LO-V_B。而V_LO已知，因此可獲得高壓腔中布里淵散射光的頻率V_B。當(dāng)改變高溫高壓腔中的壓力時(shí)，頻譜儀所示頻率發(fā)生改變，可知該壓力下的布里淵散射頻移。當(dāng)布里淵散射信號(hào)的頻移導(dǎo)致干涉信號(hào)的中心頻率超出頻譜儀的帶寬范圍時(shí)，可改變電驅(qū)動(dòng)模塊9的頻率，得到V′_LO，重復(fù)上述過程，可獲知不同壓力條件下待測(cè)樣品的布里淵散射頻率。