本發(fā)明涉及一種激光泵浦—探測方法，特別涉及一種高延時精度，且能提供較高時間分辨能力的同源激光泵浦—探測方法，屬于激光與物質相互作用動態(tài)物理過程的激光探測技術領域。

背景技術：

泵浦—探測技術在激光與物質相互作用動態(tài)物理過程(如光致物質損傷、材料改性等)的時間分辨探測研究中有著廣泛的應用。泵浦—探測技術由兩路激光脈沖分別作為泵浦光和探測光。泵浦光即為與物質產生作用的主激光，一般經透鏡后，以足夠高的功率密度聚焦在物質樣品中產生物理過程；探測光(也成為探針光)脈沖則用于對作用區(qū)域照明，通過調節(jié)探測光脈沖相對于泵浦脈沖到達物理作用區(qū)的時間延遲，可以使探測器(如ccd、光譜儀等)捕捉到物理過程不同瞬態(tài)時刻的物理量(圖像、光譜等)。通過一系列的延時設置，可得到在該物理過程中，物理量時間分辨的變化規(guī)律。

在泵浦探測技術中，延時控制精度和時間分辨能力是兩個最重要的指標。目前，普遍采用的延時控制方法主要是電延時和光延時。(1)電延時方法：泵浦光脈沖和探測光脈沖分別來源于兩臺獨立激光器，其間通過同步機進行所需延時的觸發(fā)控制。這種情況下，探測光可以采用皮秒甚至更短的脈沖，來獲得高的探測時間分辨率，但受制于電子器件(如同步機、激光器q開關等)的響應誤差，不同的泵浦脈沖之間，泵浦和探測脈沖的延時會有抖動，這種抖動隨機出現、無法消除，限制了延時控制精度。例如，2015年發(fā)表于appliedphysicsletter的文章《identificationoftheformationphasesoffilamentarydamageinducedbynanosecondlaserpulsesinbulkfusedsilica》，介紹了一種用兩臺激光器輸出的激光分別作為泵浦光和探測光的泵浦—探測方法。作泵浦光源的納秒激光器和作探測光源的皮秒激光器之間用同步機協(xié)調，使兩臺激光器的輸出同步或有一定延時。雖然其探測光為皮秒脈沖，它的時間分辨率達到了皮秒量級；但由于其使用了電學延遲的方法，受制于電子器件的響應時間，它的延時會有2納秒左右的抖動，其采樣曝光延時誤差在納秒量級。(2)光延時方法：泵浦光脈沖和探測光脈沖來源于同一臺激光器，其間延遲量通過調整該兩路脈沖的光程差來決定。穩(wěn)定的光路能夠使延遲量抖動很小，延時精度高，但由于研究激光和物質作用的主激光多為脈沖寬度在納秒、數十甚至數百納秒的脈沖激光，來自同一激光源具有相同脈寬的探測脈沖無法實現足夠短的有效曝光時間，與電延時方法相比，時間分辨率低。例如，1990年發(fā)表于光學學報上的文章《激光與介質薄膜作用過程的等離子體診斷》，介紹了典型的用一臺納秒激光器的輸出同時作泵浦光和探測光的泵浦—探測方法。泵浦光和探測光之間的延時通過光程差實現，延時不會有抖動，延時控制精度高，但探測光脈沖的脈寬為15ns，探測系統(tǒng)所獲得的數據是十幾納秒內積累得到的，時間分辨率較低。

總之，目前激光泵浦—探測系統(tǒng)難以同時滿足高延時精度和高時間分辨率這兩方面的要求，即具有較高延時精度的探測系統(tǒng)一般時間分辨率不高，時間分辨率高的探測系統(tǒng)延時控制精度較低。

技術實現要素：

針對上述不足，本發(fā)明提供一種同時兼顧延時精度與時間分辨率的帶有探針光脈沖壓縮技術的光延時同源激光泵浦探測裝置。

本發(fā)明的同源激光泵浦探測裝置，所述裝置包括激光器1、分光鏡2、第一透鏡3、倍頻晶體4、第一偏振片5、脈寬壓縮系統(tǒng)6、全反鏡m1、第一光學延遲系統(tǒng)7、窄帶濾波片8和第一探測器9；

激光器1輸出的激光入射至分光鏡2，分光鏡2將入射的光分成兩束，其中一束入射至第一透鏡3，另一束入射至倍頻晶體4，倍頻晶體4倍頻后出射的光入射至第一偏振片5，經第一偏振片5偏振后輸出的p態(tài)偏振光入射至脈寬壓縮系統(tǒng)6，脈寬壓縮系統(tǒng)6對入射的光進行脈寬壓縮后輸出s態(tài)偏振光返回至第一偏振片5，再經第一偏振片5反射至全反鏡m1，經全反鏡m1反射的光輸入至第一光學延遲系統(tǒng)7，第一光學延遲系統(tǒng)7輸出的光作為探測光入射至待測樣品表面的目標區(qū)域；

經第一透鏡3透射的光作為泵浦光入射至待測樣品表面的目標區(qū)域；

經待測樣品表面的目標區(qū)域的光入射至窄帶濾波片8，經窄帶濾波片8濾波后的光入射至第一探測器9。

經待測樣品表面的目標區(qū)域的光入射至窄帶濾波片8，經窄帶濾波片8濾波后的光入射至第一探測器9。

優(yōu)選的是，所述泵浦探測裝置還包括第一1/4波片10、第二偏振片11、第二光學延遲系統(tǒng)12、第三偏振片13和第四偏振片14和第二探測器15；

所述第一1/4波片10、第二偏振片11、第二光學延遲系統(tǒng)12和第三偏振片13設置在第一光學延遲系統(tǒng)7和待測樣品之間的光路上；

第一光學延遲系統(tǒng)7輸出的光入射至第一1/4波片10，經第一1/4波片10透射的光入射至第二偏振片11，經第二偏振片11反射的光輸入至第二光學延遲系統(tǒng)12，經第二偏振片11透射的光入射至第三偏振片13并透射，然后入射至待測樣品表面的目標區(qū)域；

第二光學延遲系統(tǒng)12輸出的光入射至第三偏振片13，經第三偏振片13反射后入射至待測樣品表面的目標區(qū)域；

所述第四偏振片14設置在濾波片8和第一探測器9之間的光路上，經濾波片8濾波后的光入射至第四偏振片14，經第四偏振片14透射的光入射至第一探測器9，經第四偏振片14反射的光入射至第二探測器15。

優(yōu)選的是，脈寬壓縮系統(tǒng)6包括第二1/4波片61、sbs放大池62、第二透鏡63和sbs產生池64；

所述經第一偏振片5偏振后輸出的p態(tài)偏振光入射至第二1/4波片61，經第二1/4波片61透射后的圓偏振光依次入射至sbs放大池62、第二透鏡63和sbs產生池64，在sbs放大池62內脈寬壓縮后的光延原路返回至第二1/4波片61，再經第二1/4波片61透射，輸出s態(tài)偏振光至第一偏振片5。

優(yōu)選的是，所述泵浦探測裝置還包括陷阱16；所述陷阱16設置在待測樣品的正后方，用于收集廢光。

優(yōu)選的是，所述第一光學延遲系統(tǒng)包括全反鏡m2和全反鏡m3；

輸入的光入射至全反鏡m2，經全反鏡m2反射的光入射至全反鏡m3，經全反鏡m3反射的光作為第一光學延遲系統(tǒng)輸出的光。

上述技術特征可以各種適合的方式組合或由等效的技術特征來替代，只要能夠達到本發(fā)明的目的。

本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明一方面采用一臺激光器的輸出同時作為泵浦光和探測光，采用光延時的方法使兩光脈沖精確延時，消除電延時中無法避免的抖動問題，提高延時控制精度；另一方面對探測光利用受激布里淵散射效應(sbs)進行脈寬壓縮，使其脈寬壓縮到原始的二十幾分之一，時間分辨率大幅提升，解決光延時中時間分辨率較低的問題。本發(fā)明兼顧了延時控制精度以及時間分辨能力這兩個重要指標，使其性能進一步提升、使用范圍擴展。本發(fā)明是可實現皮秒級延時控制精度、百皮秒級時間分辨率的泵浦探測方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實施方式中獲得一張時間分辨圖像的帶有探測光脈沖壓縮技術的同源激光泵浦探測裝置的原理結構示意圖。

圖2為本發(fā)明中的泵浦探測系統(tǒng)獲得高時間分辨率的基本原理示意圖，為探測光脈寬與探測器曝光時間的對比。

圖3為多次重復獲得完整物理過程圖像的原理，從上到下三幅圖表示在三次實驗中分別設置不同延時，獲取物理過程不同時間階段的信息。

圖4為具體實施方式中同時獲得兩張時間分辨圖像的同源激光泵浦探測裝置的原理結構示意圖。

圖5為獲得兩張時間分辨圖像的實驗中，兩探測光脈沖與物理過程的時間關系。

圖6為受激布里淵散射效應脈沖壓縮示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不作為本發(fā)明的限定。

結合圖1說明本實施方式，本實施方式所述的帶有探針光脈沖壓縮技術的光延時同源激光泵浦探測裝置，包括激光器1、分光鏡2、第一透鏡3、倍頻晶體4、第一偏振片5、sbs脈寬壓縮系統(tǒng)6、全反鏡m1、第一光學延遲系統(tǒng)7、窄帶濾波片8和第一探測器9；

激光器1輸出的激光入射至分光鏡2，分光鏡2將入射的光分成兩束，其中一束入射至第一透鏡3，另一束入射至倍頻晶體4，倍頻晶體4倍頻后出射的光入射至第一偏振片5，經第一偏振片5偏振后輸出的p態(tài)偏振光入射至sbs脈寬壓縮系統(tǒng)6，sbs脈寬壓縮系統(tǒng)6對入射的光進行脈寬壓縮后輸出s態(tài)偏振光返回至第一偏振片5，再經第一偏振片5反射至全反鏡m1，經全反鏡m1反射的光輸入至第一光學延遲系統(tǒng)7，第一光學延遲系統(tǒng)7輸出的光入射至待測樣品表面的目標區(qū)域；

經第一透鏡3透射的光入射至待測樣品表面的目標區(qū)域。

經待測樣品表面的目標區(qū)域的光入射至窄帶濾波片8，經窄帶濾波片8濾波后的光入射至第一探測器9。

本實施方式泵浦探測法的基本思想是用第一個強激光脈沖(泵浦光)輻照樣品，使樣品產生某種激發(fā)或者改變；在一個可調的時間間隔后，用第二個激光脈沖(探測光)照射樣品的相應位置，探測光通過與發(fā)生瞬時改變的材料相互作用獲得信息。通過檢測遞次間隔下的探測光信號，就可以獲得由泵浦光引起激發(fā)的衰變過程或其他過程的完整信息。

本實施方式中的激光器1采用yag激光器輸出的脈寬為10ns、波長1064nm的激光脈沖，該激光脈沖被分光鏡2一分為二，一路作為泵浦光；另一路做一系列處理后作為探測光。泵浦光經第一透鏡3聚焦后打在待測樣品表面的目標區(qū)域與物質發(fā)生相互作用。本實施方式的泵浦探測方法的高時間分辨率由探測光脈沖的窄脈寬和對應的窄帶濾波片8保證，即第一探測器必須只響應探測光。如果泵浦光和探測光用同一波長的激光，則散射的泵浦光也會進入第一探測器產生響應，導致整有光進入第一探測器的時間變長，即時間分辨率降低。所以探測光首先要經過一次頻率轉換，在頻譜上與泵浦光拉開足夠的距離，且第一探測器前面需放置只允許探測光波段的光通過的窄帶濾波片8。本實施方式的第一探測器9采用ccd實現，雖然ccd本身的曝光時間相對來說很長，但是由于整個系統(tǒng)處于較暗環(huán)境且在鏡頭前加了窄帶濾波片，該窄帶濾波片為一種只讓特定波長的光通過，對其他波長的光具有極大衰減作用的光學元件，只有探測光的脈沖能夠進入ccd，所以有光進入ccd的時間即有效曝光時間只取決于探測光的脈寬，原理圖如圖2所示。本實施方式對探測光的脈寬進行了壓縮，使其脈寬壓縮到原始的二十幾分之一，時間分辨率大幅提升，解決光延時中時間分辨率較低的問題。

本實施方式的泵浦探測法的一個優(yōu)勢是其所獲得信息的時間分辨率基本上只取決于探測光的脈寬。

用這種方法一次可以獲得一個超快物理過程某部分的信息。假設在相同條件下發(fā)生的多次超快過程高度相似。對多次相同的過程探測成像，每次獲取特定延遲時間點的一幅圖像，最后把所有不同時間點的圖像按照先后順序排列，即可得到超快過程中物理現象的時間和空間演化特性，原理如圖3所示。

本實施方式的窄帶濾波片8為532nm窄帶濾波片。

優(yōu)選實施例中，如圖4所示，泵浦探測裝置還包括第一1/4波片10、第二偏振片11、第二光學延遲系統(tǒng)12、第三偏振片13和第四偏振片14和第二探測器15；

所述第一1/4波片10、第二偏振片11、第二光學延遲系統(tǒng)12和第三偏振片13設置在第一光學延遲系統(tǒng)7和待測樣品之間的光路上；

第一光學延遲系統(tǒng)7輸出的光入射至第一1/4波片10，經第一1/4波片10透射的光入射至第二偏振片11，經第二偏振片11反射的光輸入至第二光學延遲系統(tǒng)12，經第二偏振片11透射的光入射至第三偏振片13并透射，然后入射至待測樣品表面的目標區(qū)域；

第二光學延遲系統(tǒng)12輸出的光入射至第三偏振片13，經第三偏振片13反射后入射至待測樣品表面的目標區(qū)域；

所述第四偏振片14設置在濾波片8和第一探測器9之間的光路上，經濾波片8濾波后的光入射至第四偏振片14，經第四偏振片14透射的光入射至第一探測器9，經第四偏振片14反射的光入射至第二探測器15。

上述只能獲得一張時間分辨圖像；而本實施方式通過偏振控制在一次實驗中獲得兩張不同延時處的時間分辨圖像，如圖4所示。本實施方式在探測光光路中插入一塊第一1/4波片，使探測光中既有p偏振態(tài)的光又有s偏振態(tài)的光，然后用第二偏振片11使兩不同偏振態(tài)的光分開，讓兩偏振態(tài)的光傳播不同的距離，再用第三偏振片13將兩束光合束。這樣得到的探測光一前一后走著兩個偏振態(tài)互相垂直的光脈沖，探測光經過樣品目標區(qū)域后再由第四偏振片14不同偏振態(tài)的兩光脈沖分開，分別導入第一探測器14和第二探測器15中，即可在一次實驗中獲得兩副不同延時的圖像。在一次實驗中，兩探測光脈沖與物理過程的時間關系如圖5所示。

優(yōu)選實施例中，如圖1所示，本實施方式對探測光利用受激布里淵散射效應(sbs)進行脈寬壓縮，sbs脈寬壓縮系統(tǒng)6包括第二1/4波片61、sbs產生池64、第二透鏡63和sbs放大池62；

所述經第一偏振片5偏振后輸出的p態(tài)偏振光入射至第二1/4波片61，經第二1/4波片61透射后的圓偏振光依次入射至sbs放大池62、第二透鏡63和sbs產生池64，在sbs放大池62內脈寬壓縮后的光延原路返回至第二1/4波片61，再經第二1/4波片61透射，輸出s態(tài)偏振光至第一偏振片5。

由于介質中存在的彈性力學振動或聲波場，使得介質密度也隨時間、空間做周期性變化，相當于介質中有個衍射光柵。當光進入介質時，會對入射光產生散射。自發(fā)布里淵散射即是由介質中的各質點熱運動引起的。受激布里淵散射效應是入射光波場與介質內的聲波場相互作用產生的一種受激光散射現象。光在自發(fā)布里淵過程中，介質內的彈性聲波場是由熱激發(fā)產生的，而受激布里淵散射過程中的彈性聲波場是在激光的作用下，介質通過電致縮效應而產生的，彈性聲波場的作用相當于運動的光柵。受激布里淵散射是入射光被介質內的運動光柵散射而形成的，一束高功率的激光入射到布里淵介質后，會沿入射光反方向產生一個后向散射光，這個散射光與入射光偏振態(tài)相同、有可以忽略不計的波長變化。受激布里淵散射是一種非線性效應，具有明顯的閾值效應，只有入射脈沖足夠強的部分才能產生受激散射，所以會有脈寬壓縮效應。受激布里淵散射效應脈沖壓縮示意圖如圖6所示。

倍頻后得到的探測光經過第一偏振片5和第二1/4波片后進入緊湊布里淵雙池：sbs放大池62和sbs產生池64，這種雙池結構的特點是sbs放大池62和sbs產生池64緊湊放置，在sbs產生池64前面放置一個短焦距的第二透鏡63使得抽運光脈沖前沿先達到sbs閾值，隨之產生的散射光脈沖進入sbs放大池62，有效地提取泵浦光能量，從而使得脈寬變窄(可將數十納秒的脈沖壓縮到幾百皮秒)。入射探測光的偏振方向和第二1/4波片的光軸夾角為45°，進入布里淵池的探測光由于布里淵散射效應會產生一個偏振態(tài)與入射光偏振態(tài)相同的后向散射光脈沖，后向散射脈沖兩次經過第二1/4波片后偏振態(tài)旋轉90°，回到偏振片后被全部反射，進入延遲光路。最后探測光經過待側樣品的目標區(qū)域后進入探測器ccd中，完成時間分辨圖像的采集過程。

由于泵浦光與探測光之間的延時只由兩路光的光程差決定，延時不會有抖動；光在空氣中的速度是0.3mm/ps，所以只要距離測量精度達到0.3mm即可保證皮秒級的延時精度。

優(yōu)選實施例中，本實施方式還包括陷阱16；所述陷阱16設置在待測樣品的正后方，用于收集廢光。

優(yōu)選實施例中，第一光學延遲系統(tǒng)7包括全反鏡m2和全反鏡m3；

輸入的光入射至全反鏡m2，經全反鏡m2反射的光入射至全反鏡m3，經全反鏡m3反射的光作為第一光學延遲系統(tǒng)7輸出的光。

本實施方式的全反鏡m1固定；全反鏡m2和全反鏡m3裝在導軌上，可同步向前或向后移動以改變延遲時間。

第二光學延遲系統(tǒng)12與第一光學延遲系統(tǒng)7結構相同。

雖然在本文中參照了特定的實施方式來描述本發(fā)明，但是應該理解的是，這些實施例僅僅是本發(fā)明的原理和應用的示例。因此應該理解的是，可以對示例性的實施例進行許多修改，并且可以設計出其他的布置，只要不偏離所附權利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。應該理解的是，可以通過不同于原始權利要求所描述的方式來結合不同的從屬權利要求和本文中所述的特征。還可以理解的是，結合單獨實施例所描述的特征可以使用在其他所述實施例中。