一種用于測量高壓條件下待測樣本的布里淵散射的裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于測量高壓條件下待測樣本的布里淵散射的裝置，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經(jīng)第一反射鏡反射進(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并進(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)泵浦待測樣品產(chǎn)生布里淵散射光f，布里淵散射光f經(jīng)第二反射鏡后射入第四半反半透鏡；第一反射光c垂直射入電光調(diào)制器內(nèi)形成調(diào)制光g，調(diào)制光g經(jīng)第三反射鏡后射入第四半反半透鏡內(nèi)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射入平衡光電探測器內(nèi)并在頻譜儀上顯示。
【專利說明】
一種用于測量高壓條件下待測樣本的布里淵散射的裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于布里淵散射測量裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于測量高壓條件下待 測樣品的布里淵散射的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 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。
[0003] 高壓下各種物理量的檢測都需特殊精巧的專門實驗技術(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)展到一個新層次。美國國 家標(biāo)準(zhǔn)局首先開展了高壓紅外光譜測量。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)測量，且不需要將樣品與探測儀器相接觸，所以可以利用布里淵散射對樣品在高壓環(huán)境 下的性質(zhì)進(jìn)行研究。通過對布里淵散射頻移的測定，可以精確計算出高壓下物質(zhì)的聲速、彈 性系數(shù)等基本物理量。
[0004] 和拉曼散射散射相比，布里淵散射和激光器本身的栗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 里淵散射的測量方法主要由以下幾種：
[0005] 在先方案之一是采用斐索干涉儀【參見^.5.161弘1八.5.(^￥。11， M.F.E.Peters,N-J-DamjW.van de Water,coherent Rayleigh-Brillouin scattering measurements of bulk viscosity of polar and nonpolar gases,and kinetic theory，the Journal of Chemical Physics，133,2010，164315 1-9.】D該技術(shù)米用斐索干 涉儀，檢測高壓腔中散射的瑞利散射光和的布里淵散射光，實驗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，且瑞利散射的光強較弱，斐索干涉儀分辨率不 1? 〇
[0006] 在先方案之二是采用法布里-珀羅干涉儀（FPI)【參見：Min-Se〇k Jeong，Jae-Hyeon Ko,Young Ho Ko,Kwang Joo Kim，High-pressure acoustic properties of glycerol studied by Brillouin spectroscopy，Physica 8,2015,478:27_30.】【參見： Lindsay S.M.,Anderson M.ff.,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·】D該方案中FPI的測量精 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)域布里淵散射光測量的主 流方案。但是該FPI的成本較高，目前售價約為15萬美元，價值昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)中描述的不足，本發(fā)明的目的是提供一種檢測效果好，成本低， 光路結(jié)構(gòu)簡單的一種用于測量高壓條件下待測樣品的布里淵散射的裝置。
[0008] 為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：
[0009] -種用于測量高壓條件下待測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)栗浦待測樣品產(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)動模塊驅(qū)動電光 調(diào)制器在零階主峰附近產(chǎn)生頻率為VU)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 器內(nèi)，平衡光電探測器將接收到的干涉光h在頻譜儀上顯示。
[0010]所述第一半反半透鏡的分光面與發(fā)射光a成45°。
[0011] 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°。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014]本發(fā)明的特點和優(yōu)點是：
[0015] 1、本發(fā)明充分利用光學(xué)相干檢測技術(shù)，引入電光調(diào)制器的一階邊帶作為本地光， 實現(xiàn)待測樣品中布里淵散射光的提取，同時對微弱布里淵散射進(jìn)行光學(xué)放大，為高壓腔中 樣品的布里淵散射信號分析提供了一種檢測裝置及檢測方法。
[0016] 2、本發(fā)明僅利用一臺電光調(diào)制器，實現(xiàn)了布里淵散射光的提取，光路結(jié)構(gòu)簡單，節(jié) 約了成本，有利于實用化。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明電光調(diào)制器的一節(jié)邊帶示意圖。
[0018] 圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0019] 如圖2所示，一種用于測量高壓條件下待測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 ο
[0020] 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°。
[0021] 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°。
[0022]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)。
[0023]第二透射光d和第三反射光k在高壓腔6內(nèi)栗浦待測樣品產(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。
[0024] 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。
[0025] 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)動模塊9驅(qū)動電 光調(diào)制器4在零階主峰附近產(chǎn)生頻率為vu)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器12內(nèi)，平衡光電探 測器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。
[0026] 本發(fā)明的核心思想是利用光學(xué)相干檢測技術(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)動模塊9的驅(qū)動，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時的本地光。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樣品上，栗浦待測樣品，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：
[0027] 對于180°幾何配j a)；
[0028] 對于60°幾何配置 （2);
[0029] 對于固定波長的激光光源，λ已知。如果測量得到6(Τ幾何配置時的布里淵頻移vB1， 那么根據(jù)上式(2)可以計算得到該壓力條件下待測樣品的聲速￥3。接著，如果測量得到180° 幾何配置時的布里淵頻移ν Β2,那么根據(jù)公式（1)，結(jié)合已求得的聲速Va，可計算出待測物質(zhì) 的折射率η。在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步研究物質(zhì)的彈性系數(shù)等。
[0030]為了提取布里淵散射信號，以及測量該散射信號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器12將干涉 信號中的低頻信號轉(zhuǎn)換為電信號，即拍信號中的差頻信號，同時濾除拍信號中的和頻信號。 之后，利用頻譜儀13測量獲得干涉信號的頻譜及其中心頻率。
[0031]布里淵散射頻移即為一階邊帶頻率和干涉信號中心頻率之和。本發(fā)明可有效的提 取出待測樣品中的微弱的布里淵散射信號，同時能夠測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。
[0032]下面以綠光為例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，如圖2所示，激光器1發(fā)出波長為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用于栗浦高壓腔(帶有光學(xué)窗口的對 頂砧)6中的待測樣品，第一反射光c用于栗浦電光調(diào)制器4。為了獲得待測物質(zhì)在不同壓力 條件下的聲速和折射率，需要對進(jìn)入對頂砧的高壓腔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,將用于栗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)，栗浦高壓腔6中的待測樣品產(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。
[0033]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栗浦高壓腔6 中的待測樣品產(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。
[0034] 布里淵散射光f與激光器的發(fā)射光a之間的頻移為vB。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。
[0035] 電驅(qū)動模塊9驅(qū)動電光調(diào)制器4,電驅(qū)動模塊9的射頻信號的頻率已知。對于電光調(diào) 制器4的輸出而言，
[0036] 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)動模塊9驅(qū)動電 光調(diào)制器4在零階主峰附近產(chǎn)生頻率為VLO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)動模塊9控制，一階邊帶作為光學(xué)相干檢測時的本地光。
[0037] 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，平衡光電探測器12將接收到的干涉光f轉(zhuǎn)換為電信 號，同時可濾除從高壓腔6中輸出的端面反射、拉曼散射等雜散光以及相干檢測時的高頻信 號Vlo+Vb。利用頻譜儀13,可獲得該相干信號的中心頻率Vo,該頻率為一階邊帶頻率和布里 淵散射光頻率之差，即Vo = Vlo-Vb。而Vlci已知，因此可獲得高壓腔中布里淵散射光的頻率Vb。 當(dāng)改變高溫高壓腔中的壓力時，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)布里淵散射信號的頻移導(dǎo)致干涉信號的中心頻率超出頻譜儀的帶寬范圍時，可改變 電驅(qū)動模塊9的頻率，得到ν\ο,重復(fù)上述過程，可獲知不同壓力條件下待測樣品的布里淵散 射頻率。
【主權(quán)項】
1. 一種用于測量高壓條件下待測樣本的布里淵散射的裝置，其特征在于: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;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)；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)栗浦待測樣品產(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)動模 塊(9)驅(qū)動電光調(diào)制器(4)在零階主峰附近產(chǎn)生頻率為vu)的一階邊帶，調(diào)制光g從電光調(diào)制 器(4)射出；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)，第三半反 半透鏡（10)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器（12)內(nèi)，平衡光電探測器（12)將接 收到的干涉光h在頻譜儀(13)上顯示。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于測量高壓條件下待測樣本的布里淵散射的裝置，其 特征在于:所述第一半反半透鏡(2)的分光面與發(fā)射光a成45°。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于測量高壓條件下待測樣本的布里淵散射的裝置，其 特征在于: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°。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于測量高壓條件下待測樣本的布里淵散射的裝置，其 特征在于:所述調(diào)制光g從電光調(diào)制器(4)的射出方向與第一反射光c的前進(jìn)方向平行。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于測量高壓條件下待測樣本的布里淵散射的裝置，其 特征在于: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。
【文檔編號】G01D5/26GK105890633SQ201610345655
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月24日
【發(fā)明人】郝蘊琦
【申請人】鄭州輕工業(yè)學(xué)院