專利名稱：飛秒時間分辨的熒光虧蝕系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于飛秒激光及其光電技術(shù)用于凝聚相體系超快動力學(xué)研究領(lǐng)域，特別涉及飛秒時間分辨的熒光虧蝕系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
飛秒激光(1飛秒等于1千萬億分之一秒)具有超快的時間分辨本領(lǐng)、超強的峰值功率、超寬的調(diào)諧范圍。已經(jīng)能對快至分子及其內(nèi)部原子甚至電子的運動進行捕捉和記錄，在此基礎(chǔ)上人們發(fā)展出了多種時間分辨光譜技術(shù)。如現(xiàn)代飛秒化學(xué)常用的泵浦-探測技術(shù)將一束飛秒激光分成兩束，利用一組反射鏡使它們之間產(chǎn)生光程差，從而產(chǎn)生延遲，用先到的那束光(泵浦光)去激發(fā)分子使它發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而用另一束光(探測光)去探測產(chǎn)物或過渡態(tài)。檢測方法有很多，可以激發(fā)產(chǎn)物或過渡態(tài)使之產(chǎn)生熒光；也可以計算探測光被樣品的衰減或吸收；或者還可以用質(zhì)譜直接檢測反應(yīng)產(chǎn)物或過渡態(tài)。這樣就可以通過改變兩束光的光程差(延時)得到反應(yīng)過程中物種變化的細節(jié)，也就是化學(xué)反應(yīng)的動力學(xué)信息。
實時觀測反應(yīng)還不是現(xiàn)代化學(xué)家的最終目的，能夠人為的控制化學(xué)反應(yīng)按照人們所希冀的方向發(fā)展才是多少代化學(xué)家們的夢想所在。近年來量子控制化學(xué)、超高速光電子學(xué)等逐漸引起人們的重視。其中“量子控制化學(xué)”研究分子、原子的強場量子控制、可編程波函數(shù)工程等，化學(xué)反應(yīng)的相干控制也已成為可以預(yù)期的事。很多化學(xué)反應(yīng)并非只沿一個方向進行，而是同時有很多個通道(反應(yīng)方向)存在競爭。利用飛秒激光脈沖序列，人們已經(jīng)可以在一定程度上控制化學(xué)反應(yīng)進行的方向、選擇反應(yīng)物初態(tài)、優(yōu)化發(fā)應(yīng)的產(chǎn)率等等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種飛秒時間分辨的熒光虧蝕系統(tǒng)。
熒光虧蝕現(xiàn)象的基本原理是處于基態(tài)的分子被一束超短脈沖激光瞬時(耗時幾個飛秒左右)激發(fā)到較高激發(fā)態(tài)或激發(fā)態(tài)的較高振動能級以后，經(jīng)過一系列輻射或者非輻射過程(耗時幾十到幾千飛秒左右)落到激發(fā)態(tài)的最低振動態(tài)，然后緩慢持續(xù)發(fā)射自發(fā)熒光而回到基態(tài)(耗時幾千到幾百萬飛秒甚至更長)，這里面包含了很多分子激發(fā)態(tài)超快過程的動力學(xué)信息。在這些過程中如果用另一束發(fā)射時間精確可控的超短脈沖激光去作用于尚未回到基態(tài)的分子，有可能使其一部分發(fā)生受激輻射回到基態(tài)或者再吸收躍遷到更高激發(fā)態(tài)，從而影響自發(fā)熒光的強度(一般是變?nèi)?。根據(jù)自發(fā)熒光強度由第二束激光導(dǎo)致的改變量和第二束激光相對于第一束激光的延遲時間之間的關(guān)系來研究激發(fā)態(tài)的超快動力學(xué)即為時間分辨熒光虧蝕技術(shù)，如果兩束激光的脈沖時間寬度和兩者之間的可以實現(xiàn)的最短延遲時間都是在飛秒量級上，則稱為飛秒時間分辨熒光虧蝕技術(shù)。
飛秒時間分辨熒光虧蝕實現(xiàn)系統(tǒng)的基本原理是將一束飛秒激光經(jīng)倍頻后分成兩束波長不同的相干的飛秒激光，并利用光學(xué)延遲線來改變兩束飛秒激光之間的光程差，使其先后作用于樣品上，觀察樣品由第一束較短波長的激光激發(fā)所產(chǎn)生的熒光受后一束激光影響導(dǎo)致的衰減程度，即為熒光虧蝕信號。由電腦控制光學(xué)延遲線來連續(xù)改變光程差，從而得到熒光虧蝕信號與兩束光之間光程差(延遲時間)的關(guān)系，通過分析就能解析出激發(fā)態(tài)超快動力學(xué)信息。
本發(fā)明的飛秒時間分辨的熒光虧蝕系統(tǒng)主要由激光光源部分、倍頻部分、分束合束部分、時間延遲部分、偏振調(diào)節(jié)部分、樣品部分、熒光收集和探測部分、鎖相放大部分、控制采樣部分組成。如圖1所示，實線為光路，虛線為信號采集和控制電纜，箭頭方向為信號送達或控制命令傳輸方向。
本發(fā)明的飛秒時間分辨的熒光虧蝕系統(tǒng)沿光束傳播的方向，一飛秒振蕩級激光器1的前方安裝有一非線性晶體2，在非線性晶體2前后分別安裝有一透鏡，兩透鏡在非線性晶體2一側(cè)的焦點都在非線性晶體2處；一長通雙色鏡3，其正面接收來自非線性晶體2前面透鏡的透射光，在長通雙色鏡3的正面反射光路上安裝有反射鏡a，接收長通雙色鏡3正面的反射光，在長通雙色鏡3的背面透射光路上安裝有一反射鏡c，接收長通雙色鏡3背面的透射光，在反射鏡a的反射光路上安裝有一反射鏡b，反射鏡b接收反射鏡a的反射光；一光學(xué)延遲線4，由反射鏡d和反射鏡e構(gòu)成，反射鏡d接收來自反射鏡c的反射光，反射鏡e接收來自反射鏡d的反射光，在反射鏡e的反射光路上安裝有一反射鏡f，反射鏡f接收來自反射鏡e的反射光，由反射鏡c到反射鏡d的光路完全平行于反射鏡e到反射鏡f的光路，光學(xué)延遲線4的推進步進電機通過導(dǎo)線由電腦13控制；一長通雙色鏡6，其正面接收來自反射鏡b的反射光，其背面接收來自反射鏡f的反射光；在反射鏡a與反射鏡b之間的光路上安裝有一零級半波片7，在反射鏡f與長通雙色鏡6的背面之間的光路上安裝有一零級半波片5，在長通雙色鏡3的背面與長通雙色鏡6的背面之間的光路上的任意位置安裝有一斬波器12；在長通雙色鏡6的出射光路，即同時是正面反射光路和背面透射光路上安裝有一透鏡，在其前焦點處安裝有一方型樣品池8，方型樣品池8側(cè)面安裝有透鏡，在其透射光路上安裝有一單色儀9，在單色儀9的出射狹縫上安裝有光電倍增管10，光電倍增管10的輸出端通過導(dǎo)線與一鎖相放大器11的待測信號輸入端相連通，鎖相放大器11的參考信號輸入端與斬波器12的信號輸出端通過導(dǎo)線相連接，鎖相放大器11的信號輸出端與電腦13通過導(dǎo)線相連接。
所述的方型樣品池8與單色儀9之間的透鏡可以是一個透鏡或一組兩個共軸透鏡，如果是一個透鏡，則其后焦點在方型樣品池8中，前焦點在單色儀9的入射狹縫上，如果是兩個透鏡，則其中靠近方型樣品池8的透鏡后焦點在方型樣品池8中，靠近單色儀9的透鏡前焦點在單色儀9入射狹縫上。
本發(fā)明屬于廣義的泵浦-探測技術(shù)(系統(tǒng))，是一種研究受擾動的激發(fā)態(tài)演變動力學(xué)的有效手段，同時降低了對激光器的要求(不需要飛秒放大級激光器)，可以很好的解決其它飛秒探測技術(shù)中不能解決的問題，研究更多的激發(fā)態(tài)超快過程，同時它的靈敏度也要比傳統(tǒng)的熒光上轉(zhuǎn)換方法高1～2個數(shù)量級，具有偏振分辨能力，可研究超快各向同性和各向異性現(xiàn)象，是現(xiàn)代超快光譜技術(shù)中比較有特色的技術(shù)之一。而且從本質(zhì)上來說本發(fā)明還是一種化學(xué)反應(yīng)的量子控制技術(shù)通過第一束激光(泵浦光)激發(fā)反應(yīng)物躍遷到激發(fā)態(tài)，當(dāng)其面臨多個反應(yīng)通道的選擇時，馬上用第二束激光(探測光)去人為地擾動激發(fā)態(tài)的布居，依靠調(diào)節(jié)控制光的波長、脈沖寬度、偏振、強度、延時等參量來選擇性的引導(dǎo)反應(yīng)物激發(fā)態(tài)分子向人們期望的通道弛豫、躍遷，從而得到與天然產(chǎn)物完全不同的產(chǎn)物或者有針對性的改變某種預(yù)期產(chǎn)物的產(chǎn)率，即實現(xiàn)了量子級別的化學(xué)反應(yīng)的人工控制。


圖1.本發(fā)明的飛秒時間分辨的熒光虧蝕系統(tǒng)示意圖。
圖2.本發(fā)明實施例1的熒光虧蝕信號對延遲時間依賴關(guān)系圖(激光染料LDS751的二甲亞砜溶液)。
附圖標(biāo)記1.飛秒振蕩級激光器 2.非線性晶體3.長通雙色鏡4.光學(xué)延遲線5.零級半波片6.長通雙色鏡7.零級半波片8.方型樣品池9.單色儀10.光電倍增管 11.鎖相放大器 12.斬波器13.電腦具體實施方式
實施例1.
飛秒振蕩級激光器1發(fā)出的飛秒激光經(jīng)非線性晶體2倍頻。產(chǎn)生的倍頻光和基頻光經(jīng)過45°長通雙色鏡3被分成兩束，其中倍頻光被反射，基頻光被透射。透過的基頻光經(jīng)過光學(xué)延遲線4產(chǎn)生光學(xué)延遲之后，被零級半波片5旋轉(zhuǎn)到需要的偏振方向在長通雙色鏡6上面與反射的倍頻光(同樣被零級半波片7旋轉(zhuǎn)到需要的偏振方向)又合為一束同向共線作用在方型樣品池8所盛的待研究樣品上。其中的倍頻光激發(fā)樣品，而其中的基頻光擾動樣品。從側(cè)面收集樣品所產(chǎn)生的熒光進到單色儀9，然后被光電倍增管10探測，將熒光強度信號送至鎖相放大器11，調(diào)制基頻光束的斬波器12提供的參考信號也送至鎖相放大器11。鎖相放大器11根據(jù)參考信號放大熒光強度信號中和參考信號同頻同相位的成分作為熒光虧蝕信號輸出至電腦13處理記錄，光學(xué)延遲線4也由電腦13控制。改變光學(xué)延遲，得到熒光虧蝕信號和光學(xué)延時之間的關(guān)系，即獲得了分子激發(fā)態(tài)超快動力學(xué)的信息。利用非線性和頻方法以及雙光子熒光方法獲得該系統(tǒng)的時間分辨零點和響應(yīng)函數(shù)。將樣品放在該系統(tǒng)的樣品池8中，利用該系統(tǒng)對激光染料LDS751的二甲亞砜溶液進行測試，獲得熒光虧蝕信號對延遲時間的依賴關(guān)系圖，見圖2所示。
權(quán)利要求
1.一種飛秒時間分辨的熒光虧蝕系統(tǒng)，其特征是沿光束傳播的方向，一飛秒振蕩級激光器(1)的前方安裝有一非線性晶體(2)，在非線性晶體(2)前后分別安裝有一透鏡，兩透鏡在非線性晶體(2)一側(cè)的焦點都在非線性晶體(2)處；一長通雙色鏡(3)，其正面接收來自非線性晶體(2)前面透鏡的透射光，在長通雙色鏡(3)的正面反射光路上安裝有反射鏡a，接收長通雙色鏡(3)正面的反射光，在長通雙色鏡(3)的背面透射光路上安裝有一反射鏡c，接收長通雙色鏡(3)背面的透射光，在反射鏡a的反射光路上安裝有一反射鏡b，反射鏡b接收反射鏡a的反射光；一光學(xué)延遲線(4)，由反射鏡d和反射鏡e構(gòu)成，反射鏡d接收來自反射鏡c的反射光，反射鏡e接收來自反射鏡d的反射光，在反射鏡e的反射光路上安裝有一反射鏡f，反射鏡f接收來自反射鏡e的反射光，由反射鏡c到反射鏡d的光路完全平行于反射鏡e到反射鏡f的光路，光學(xué)延遲線(4)的推進步進電機通過導(dǎo)線由電腦(13)控制；一長通雙色鏡(6)，其正面接收來自反射鏡b的反射光，其背面接收來自反射鏡f的反射光；在反射鏡a與反射鏡b之間的光路上安裝有一零級半波片(7)，在反射鏡f與長通雙色鏡(6)的背面之間的光路上安裝有一零級半波片(5)，在長通雙色鏡(3)的背面與長通雙色鏡(6)的背面之間的光路上的任意位置安裝有一斬波器(12)；在長通雙色鏡(6)的出射光路，即同時是正面反射光路和背面透射光路上安裝有一透鏡，在其前焦點處安裝有一方型樣品池(8)，方型樣品池(8)側(cè)面安裝有透鏡，在其透射光路上安裝有一單色儀(9)，在單色儀(9)的出射狹縫上安裝有光電倍增管(10)，光電倍增管(10)的輸出端通過導(dǎo)線與一鎖相放大器(11)的待測信號輸入端相連通，鎖相放大器(11)的參考信號輸入端與斬波器(12)的信號輸出端通過導(dǎo)線相連接，鎖相放大器(11)的信號輸出端與電腦(13)通過導(dǎo)線相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是所述的方型樣品池(8)與單色儀(9)之間的透鏡是一個透鏡或一組兩個共軸透鏡，當(dāng)一個透鏡時，則其后焦點在方型樣品池(8)中，前焦點在單色儀(9)的入射狹縫上，當(dāng)是兩個透鏡，則其中靠近方型樣品池(8)的透鏡后焦點在方型樣品池(8)中，靠近單色儀(9)的透鏡前焦點在單色儀(9)入射狹縫上。
全文摘要
本發(fā)明屬于飛秒激光及其光電技術(shù)用于凝聚相體系超快動力學(xué)研究領(lǐng)域，特別涉及飛秒時間分辨的熒光虧蝕系統(tǒng)。本發(fā)明的系統(tǒng)主要由激光光源部分、倍頻部分、分束合束部分、時間延遲部分、偏振調(diào)節(jié)部分、樣品部分、熒光收集和探測部分、鎖相放大部分、控制采樣部分組成。本發(fā)明的系統(tǒng)通過兩束間隔時間可調(diào)的飛秒脈沖激光先后作用于樣品，觀察樣品的熒光隨間隔時間的變化，從而研究樣品分子的激發(fā)態(tài)的超快動力學(xué)行為。本發(fā)明較之現(xiàn)有的相關(guān)研究方法具有高靈敏度，結(jié)構(gòu)簡單，光源要求低，可研究的過程更多等特點，同時可實現(xiàn)簡單的化學(xué)反應(yīng)的人工量子控制，是現(xiàn)代超快光譜技術(shù)中比較有特色的技術(shù)之一。
文檔編號C09B57/00GK1794079SQ20051013740
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月30日
發(fā)明者郭遜敏, 宛巖, 孔繁敖, 夏安東 申請人:中國科學(xué)院化學(xué)研究所