[发明专利]非共线的红外和频光谱的时间分辨泵浦-探测装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于红外和频光谱测量的表面吸附特性的探测方法，激光器出射光经过分束器后分为泵浦和探测脉冲，探测光经过另外一分束器再分成两束激光，其中一束探测光，经过光参量放大器调制输出中红外连续频率而后经过楔形玻璃对相位进行微调；另一束探测光，经过延迟后通过二相色镜与第一束探测光汇聚。泵浦脉冲经过BBO晶体倍频再通过延时调节经二相色镜与探测光合成一束，再经过聚焦入射样品表面，经样品反射的探测脉冲进入光谱仪。本发明利用飞秒激光，采用和频光谱测量技术，将中红外光谱转化为可以探测的近红外光谱范围，应用光栅光谱仪实现光谱的快速测量；基于多光束和频以及相位调控，实现待探测体系光谱响应的相位提取。

技术领域

本发明属于光谱学技术领域，尤其涉及一种非共线的红外和频光谱的时间分辨泵浦-探测装置及方法。

背景技术

红外光谱测量被广泛地用于各种样品分析和检测，适用性相当广泛，固态、液态或气态样品都能应用，无机、有机、高分子化合物都可检测。它具有测试迅速，操作方便，重复性好，灵敏度高，试样用量少等特点，已成为现代结构化学和分析化学最常用和不可缺少的工具。通常红外光谱测量采用的傅里叶变换红外光谱测量，其基本原理是基于迈克尔逊干涉，进行红外吸收光谱测量，是一种主动的探测手段。

原子、分子或者离子在固体表面吸附特性的研究可以了解相关元素在生物圈中的迁移行为，对于环境保护和生物圈修复至关重要。同时表面吸附原子、分子或者离子的光谱响应的波长多处于中红外波段，现有光谱测量手段多为扫描式，难以实现光谱一次性成谱的快速测量。例如，傅里叶变换红外光谱测量利用了相干信号强度与入射光光程之间的关系，无法探测脉冲式的中红外光光谱。

发明内容

本发明旨在提供一种用于表面吸附特性的中红外脉冲光谱探测技术，该装置十分紧凑，光路相对简单，实际调节方便，并具有较高稳定性；基于反射光学的原理，尽可能避免了光束透过镜片引入的像差，并具有用于更宽的波长区域的潜力。

所涉及相关的仪器及器件：本发明采取了一种非共线的红外和频光谱时间分辨的泵浦-探测装置，该系统包含了飞秒激光器分束器、方形反射镜、BBO晶体、二相色镜、电动位移台、反射镜、样品、分光镜、光阑、光谱仪、计算机、凸透镜以及CCD相机。

所涉及的主要过程：激光器出射光经过分束器后分为泵浦和探测脉冲，探测光经过另外一分束器再分成两束激光，其中一束探测光，经过光参量放大器(TOPAS)调制输出中红外连续频率而后经过楔形玻璃对相位进行微调；另一束探测光，经过延迟后通过二相色镜与第一束探测光汇聚。泵浦脉冲经过BBO晶体倍频再通过延时调节经二相色镜与探测光合成一束，再经过聚焦入射样品表面，经样品反射的探测脉冲进入光谱仪。其中泵浦光和第二束探测光光路中的镜架安装在上述电动位移台上，用于调节两束光到达样品处的时间延迟。

过程监控：利用CCD相机采集三束脉冲在焦点处光斑信号并送入计算机，用于在测量过程中实时地监测两束脉冲的时间和空间重合，确保实验的稳定性和结果的可靠性。

有益效果:

1、该发明涉及光路采用反射式光学设计，结构相对简单紧凑，稳定性高。

2、装置灵活，将中红外波段的光谱探测转移到近红外波段，可实现较大范围内的中红外波段脉冲光的全谱快速测量。

3、同时测量表面吸附原子、分子或者离子的发射光谱的振幅和相位信息，可广泛地用于表面吸附特性测量与研究。

附图说明

图1为本发明非共线的红外和频光谱的时间分辨泵浦-探测装置的结构示意图。

图2为本发明非共线的红外和频光谱的时间分辨泵浦-探测装置的原理示意图。

图3为本发明非共线的红外和频光谱的时间分辨泵浦-探测方法的流程图。