專(zhuān)利名稱(chēng)：四波混頻技術(shù)的像點(diǎn)對(duì)光法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種四波混頻技術(shù)的像點(diǎn)對(duì)光法。
背景技術(shù)：
四波混頻作為一項(xiàng)高靈敏度的光譜技術(shù)已在對(duì)痕跡量原子、分子和自由基 的探測(cè)方面取得了很大的成功。四波混頻光譜技術(shù)和其他光譜技術(shù)相比的優(yōu)越 性在于(1)簡(jiǎn)并四波混頻(DF麗)光譜技術(shù)具有亞多普勒的光譜分辨、好的 時(shí)間分辨和空間分辨的特點(diǎn)。由于DF麗信號(hào)光的高度準(zhǔn)直性和相干性，可用于 進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測(cè)，且可有效的消除背景光，從而沒(méi)有本底噪聲。由于它的共振特性，其探測(cè)靈敏度比反斯托克斯拉曼衍射(CARS)光譜技術(shù)的靈敏度要高； (2) DF麗采用的是直接檢測(cè)吸收，特別適合于熒光微弱或熒光輻射壽命很短的體 系及激發(fā)態(tài)具有電離和預(yù)解離通道的體系，尤其在壓強(qiáng)較高時(shí)，碰撞猝滅會(huì)大 大將低激光誘導(dǎo)熒光(LIF)光譜技術(shù)的檢測(cè)靈敏度，而DF麗技術(shù)則不受影響。從早期的理論和實(shí)驗(yàn)研究中可知，四波混頻的信號(hào)強(qiáng)度與介質(zhì)的三階非線 性極化率/3)有關(guān)。在一定的條件下，z(3)越大，四波混頻的信號(hào)強(qiáng)度也越大。 但對(duì)于非共振型氣相非線性介質(zhì)來(lái)說(shuō)，7(3)不可能很大而與液相介質(zhì)和固體介 質(zhì)的DFWM相比，氣相介質(zhì)的DF麗信號(hào)強(qiáng)度要小5個(gè)量級(jí)以上。因此在氣相非線性介質(zhì)中，為了提高四波混頻的信號(hào)強(qiáng)度，人們普遍采用共振型四波混頻來(lái) 提高信號(hào)強(qiáng)度。只有當(dāng)光頻接近介質(zhì)的共振頻率時(shí)，由于極化率的共振增強(qiáng)， 才有可能大大提高相位共軛反射系數(shù)。如果泵浦光和探測(cè)光來(lái)源于同一束染料 激光，通過(guò)調(diào)諧染料激光的波長(zhǎng)，由于與氣相介質(zhì)產(chǎn)生共振四波前向DFWM布局是三束相同頻率的激光L丄和13由同一方向入射到介質(zhì)中， 并且三束光在垂直平面上組成正方形的三個(gè)頂點(diǎn)；根據(jù)相位匹配的原則，由樣 品池出射信號(hào)光將出現(xiàn)在正方形另一個(gè)頂點(diǎn)上，傳播方向也是前向。在多數(shù)的 前向DF麗實(shí)驗(yàn)中，為了使三束泵浦光很好的在樣品池中重合，常常先是將來(lái)自 同一激光源的三束激光在空間上調(diào)成平行，再用一個(gè)適當(dāng)焦距的透鏡將三束光 聚焦到樣品池中，并再通過(guò)一個(gè)透鏡將從樣品池出射的光準(zhǔn)直，這樣就可很好的分離信號(hào)光和雜散光，而不減弱信號(hào)光，有助于獲得較好的信噪比。前向光路的優(yōu)點(diǎn)(l)可達(dá)到干涉和衍射的多種組合，即可以是L和l2作為 泵浦光，13作為探測(cè)光衍射出信號(hào)；也可以是L、 13作為泵浦光，而L作為探 測(cè)光；(2)在分離信號(hào)光和雜散光的過(guò)程中，沒(méi)有的減弱接收到的信號(hào)光,所以 與后向布局相比有較好的信噪比。然而，目前在前向四波混頻的實(shí)驗(yàn)中，在對(duì)光的過(guò)程中卻存在諸多問(wèn)題。 前向DF寵布局，三束相同頻率的激光L、 12和13由同一方向入射到介質(zhì)中，并 且三束光在垂直平面上組成正方形的三個(gè)頂點(diǎn)；根據(jù)相位匹配的原則，由樣品 池出射信號(hào)光將出現(xiàn)在正方形另一個(gè)頂點(diǎn)上，傳播方向也是前向。在多數(shù)的前 向DF麗實(shí)驗(yàn)中，為了使三束泵浦光很好的在樣品池中重合，常常先是將來(lái)自同 一激光源的三束激光在空間上調(diào)成平行，再用一個(gè)適當(dāng)焦距的透鏡將三束光聚 焦到樣品池中。以前的觀察三束光聚焦的方法是先用肉眼將三束光會(huì)聚，在將 樣品池移到相應(yīng)的重疊區(qū)，這種方法極不精確，不容易得到好的重疊，所以往 往觀察不到信號(hào)光，就得回過(guò)頭來(lái)重新調(diào)整光路，所以極其費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。具體來(lái)說(shuō)存在以下兩個(gè)方面的問(wèn)題。首先，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要把樣品池放在 透鏡fi的焦點(diǎn)上，每次對(duì)光的時(shí)候必須把樣品池移開(kāi)，實(shí)驗(yàn)中科研人員大多采 用肉眼直接觀察的方法來(lái)對(duì)光。這樣一來(lái)就會(huì)造成兩個(gè)后果 一是每次對(duì)完光 路后，再把樣品池放在焦點(diǎn)處，這樣容易既不能保證樣品池放在焦點(diǎn)處，又有 可能破壞光路；二是由于激光是高亮度高強(qiáng)度的光源，所以在實(shí)驗(yàn)中科研人員 采用肉眼直接觀察的方法來(lái)對(duì)光時(shí)，極易損傷科研人員眼睛視網(wǎng)膜。其次，即 使采用CCD在焦點(diǎn)處對(duì)光，也存在問(wèn)題兩個(gè)問(wèn)題 一是每次對(duì)光時(shí)，由于在焦 點(diǎn)處的物象焦斑非常小，因此在CCD很難同時(shí)分辨出四個(gè)光束是否放在焦點(diǎn)處 重合；二是每次對(duì)完光路后，再把樣品池放在焦點(diǎn)處，這樣容易既不能保證樣 品池放在焦點(diǎn)處，又有可能破壞光路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新的像點(diǎn)對(duì)光法來(lái)調(diào)節(jié)光路，從而提高了 DFWM光 路的調(diào)節(jié)速度和準(zhǔn)確度。上述的目的通過(guò)以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)四波混頻技術(shù)的像點(diǎn)對(duì)光法，其組成包括匯聚平行光、成像到電荷藕合 元件CCD獲得重疊區(qū)所述的匯聚平行光是忽略窗片對(duì)光束會(huì)聚的影響，在垂直 面上通過(guò)正方形頂點(diǎn)的三束平行光被會(huì)聚于樣品池中，所述的成像到CCD是用 另一透鏡將焦點(diǎn)的像成到后面的CCD上，所述的獲得重疊區(qū)是在不移動(dòng)樣品池， 準(zhǔn)確的將三束光會(huì)聚于樣品池中，得到的重疊區(qū)。所述的四波混頻技術(shù)的像點(diǎn)對(duì)光法，本方法在使用過(guò)程中已計(jì)算在光路中 窗片偏角和透鏡像差。這個(gè)技術(shù)方案有以下有益效果l.為了驗(yàn)證本發(fā)明的有效性，我們以碘蒸汽為本實(shí)驗(yàn)氣相介質(zhì)，采用具有自穩(wěn)分光特性的前向DFWM布局。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，采用一種新的像點(diǎn)對(duì)光法來(lái)調(diào)節(jié) 光路，從而提高了DF麗光路的調(diào)節(jié)速度和準(zhǔn)確度。并且在常溫常壓條件下，由 于碰撞淬滅會(huì)大大降低激光誘導(dǎo)熒光光譜(LIF)的檢測(cè)靈敏度，幾乎觀察不到 碘蒸汽熒光光譜，但卻可獲得較強(qiáng)的碘蒸汽的簡(jiǎn)并四波混頻信號(hào)。這是目前已 知首次測(cè)定了常溫常壓下12在554nm-556nm中的前向DF麗光譜。前向DFWM的實(shí)驗(yàn)裝置如附圖1所示。圖中浙，趙一反射鏡，"&,萬(wàn)&一分束 片，A力一正透鏡，/^r一光電倍增管。在調(diào)節(jié)光路的過(guò)程中，關(guān)鍵是要使三束激光在空間上完全重疊，和有效的 消除雜散光。經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)可以忽略窗片對(duì)光束的會(huì)聚的影響，在對(duì)光時(shí)本發(fā) 明采用觀察重疊點(diǎn)的像的方法來(lái)判斷三束光是否重疊，這時(shí)的像存在像差，當(dāng) 兩束光相距8咖，透鏡&距重疊區(qū)500咖時(shí)，計(jì)算得到的垂軸像差為18. 69 ii m， 而這時(shí)的光斑約為900um,所以相比之下像差可以忽略，可以將重疊區(qū)的像成 到CCD上，用計(jì)算機(jī)里相應(yīng)的程序觀察三束光的光斑，來(lái)配合調(diào)節(jié)光路使三束 激光很好的重疊，從而就可以在不移動(dòng)樣品池的情況下，準(zhǔn)確的將三束光重疊 于樣品池中，得到好的重疊區(qū)，消除了之前直接用肉眼對(duì)光所帶來(lái)的偏差，為 迅速的調(diào)節(jié)光路、找到重疊區(qū)提供了好的解決方案。當(dāng)主體光路調(diào)好后，還要將DF觀信號(hào)引入光電倍增管，可以任意選擇12 的一條強(qiáng)吸收線(通過(guò)觀察12的熒光強(qiáng)弱來(lái)選擇波長(zhǎng))，先提高入射激光能量，使 體系工作于飽和區(qū)，從而使肉眼能觀察到I2的DF麗信號(hào)光。當(dāng)我們觀察到一個(gè)光點(diǎn)后，怎樣鑒別它就是我們要找的信號(hào)光，方法有(l)當(dāng)擋住三束入射光中 任何一束時(shí)光點(diǎn)都會(huì)消失。表明光點(diǎn)是三束光相互干涉和衍射引起的。(2)當(dāng)拿 掉樣品池后，光點(diǎn)也會(huì)消失從而說(shuō)明光點(diǎn)是三束光與樣品池內(nèi)的非線性吸收介 質(zhì)相互作用產(chǎn)生的。(3)控制染料激光器使激光波長(zhǎng)掃過(guò)碘的共振波長(zhǎng)時(shí)，光點(diǎn) 有明暗變化。如觀察到的光點(diǎn)符合以上三種現(xiàn)象，則確定觀察到了信號(hào)光。等 整個(gè)光路調(diào)整好以后，降低泵譜激光能量，系統(tǒng)就可以開(kāi)始正常工作和進(jìn)行數(shù) 據(jù)采集了。


附圖1是本發(fā)明系統(tǒng)光路示意圖。 附圖2是三束光位置示意圖。 附圖3是窗片折射示意圖。 附圖4是正透鏡成像示意圖。 附圖5是光通過(guò)透鏡時(shí)的A位置。 附圖6是光通過(guò)透鏡時(shí)的B位置。 附圖7是光通過(guò)透鏡時(shí)的C位置。 附圖8是本發(fā)明光路布局裝置示意圖。 本發(fā)明的
具體實(shí)施例方式實(shí)施例l:四波混頻技術(shù)的像點(diǎn)對(duì)光法，其組成包括匯聚平行光、成像到CCD、獲得重疊區(qū)，所述的匯聚平行光是忽略窗片對(duì)光束的會(huì)聚的影響在垂直面上通過(guò)正方形頂點(diǎn)的三束平行光被會(huì)聚于樣品池中，所述的成像到CCD是用另一透鏡將 焦點(diǎn)的像成到后面的CCD上，所述的獲得重疊區(qū)是在不移動(dòng)樣品池，準(zhǔn)確的將 三束光會(huì)聚于樣品池中，得到的重疊區(qū)。所述的四波混頻技術(shù)的像點(diǎn)對(duì)光法，本方法在使用過(guò)程中計(jì)算在光路中窗 片偏角和透鏡像差。窗片偏角的計(jì)算入射光在經(jīng)過(guò)樣品池的窗片時(shí)的偏角，我們所用的是石英窗片，其折射率為n=l. 45857，傾角ct為1分(即1/60度)，并假設(shè)窗片的放 置是在垂直面內(nèi)上窄下寬，三束光的位置如附圖2所示。附圖3為光線經(jīng)過(guò)窗片前后兩面折射后的情況，其中出射光線相對(duì)于入射 光線偏轉(zhuǎn)的角度為S ，其正負(fù)規(guī)定為有入射光線從銳角方向轉(zhuǎn)到出射光線， 順時(shí)針者為正，反之為負(fù)。對(duì)兩個(gè)面寫(xiě)出折射定律sin《=w sin《 (1)sin《=w sin《 (2 )由圖可得"=《'-<92,》=《+《=《—《+《—《 (3) 從而 (4) 將(1)， (2)式相減并和差化積，再將公式(3), (4)代入得<,e、 cos"+^) . "r，sm/, e、 cos-'"+" = wsilAL (5)22 a+汰' cos-2可見(jiàn)，光線經(jīng)窗片折射后的偏角s是光線入射角e,、窗片傾角a和折射率n的函數(shù)。當(dāng)a和n—定時(shí)，5僅隨e i而變。當(dāng)a和S都很小時(shí)，從(3)式中可知《=《，《=《，將其代入(5)得sm=w sin 1 、 t) J]cos《 2 cos《這樣，當(dāng)給定入射角e,時(shí)，由a)， (6)兩式就可算出偏角s。由附圖1可計(jì)算出L的入射角為(9, = arctan~^~ - or = 0. 5563 (度) 1 400由(1)式得，9/ = 0.3814 (度) 由(6)式得，S產(chǎn)0.0076 (度) 在焦平面處向下偏移，L!= tan 6 ! X 75000/cos (arctan (4/400)) = 10. 0057 (um)同理算得12， 13的偏移量為《=arCtanl + "=0.5896 (度)40002' =0.4042 (度),S 2=0. 0076 (度) L2= tan S 2X 75000/cos (arctan (4/400))= 10.0058 (um) 可見(jiàn)三束光均向下偏移，且I2、 L的向下偏移量相同，三束光在焦點(diǎn)處錯(cuò)開(kāi)約L「 L2"9.8120e-5 (um)由于在焦點(diǎn)處的光斑大小約為lOOum左右，所以相比較兩束光在焦點(diǎn)處錯(cuò) 開(kāi)的距離可以忽略，即忽略窗片對(duì)光束的會(huì)聚的影響，推廣到一般的情況，任 何位置的以小的角度通過(guò)窗片并會(huì)聚于一點(diǎn)的光均可忽略窗片對(duì)光束的會(huì)聚的 影響。正透鏡像差的計(jì)算由于軸上點(diǎn)以單色光成像時(shí)只有球差，所以我們只計(jì) 算重疊點(diǎn)A的球差，在附圖1里的窗片可以看作平行平板，它對(duì)球差的產(chǎn)生可以忽略，所以只需計(jì)算三束光通過(guò)透鏡所產(chǎn)生的球差。由公式(7)算出理想像點(diǎn)的位置<formula>formula see original document page 8</formula>軸上點(diǎn)經(jīng)單個(gè)折射球面成像公式<formula>formula see original document page 8</formula>由于這里1^500mm, n， =1.5183, n=l， r=207. 32咖，U由三束光相對(duì)透鏡主 光軸的位置決定。由(7)式得到理想像點(diǎn)的位置1' =4603. 6374mm。(1) 當(dāng)正方形關(guān)于主軸對(duì)稱(chēng)時(shí)，且正方形邊長(zhǎng)為8mm,如附圖5所示，用公 式(8) (11)計(jì)算兩次得到三束光的像點(diǎn)位置，L'=4588.4566mm，軸向相差 =15. 1808mm,垂軸像差=0. 0187mm。(2) 當(dāng)正方形向一邊移動(dòng)lmm時(shí)，如附圖6所示，用公式(8) (ll)計(jì)算兩 次得到離主軸較遠(yuǎn)的L的像點(diǎn)位置，L'=4584. 2024mm,軸向相差=19. 4350咖， 垂軸像差=0. 0271咖。(3) 當(dāng)正方形向兩邊都移動(dòng)lmm時(shí)，如附圖7所示，用公式(8) (11)計(jì)算 兩次得到離主軸較遠(yuǎn)I!的像點(diǎn)位置，L， =4579. 9549mm,軸向相差=23. 0682咖， 垂軸像差=0. 0365mm。從以上計(jì)算可以看出，當(dāng)三束光所在的正邊形關(guān)于透鏡的光軸對(duì)稱(chēng)或有微小偏差時(shí)，最大的垂軸像差為36. 5196um，而這時(shí)的光束的直徑約為900um，相 比較可以忽略，所以調(diào)節(jié)光路當(dāng)CCD上的三個(gè)光斑重合時(shí)，表明三束光以很好 的重疊于樣品池中。如附圖8用Nd:YAG激光器1 (Continuum, Powerlite Precision n 9100) 的倍頻532nm的輸出泵浦染料激光器2(Lambda Physik， Scanmate pro ),所使 用染料為PM580，獲得550nm-570nm連續(xù)可調(diào)的染料激光，激光的重復(fù)頻率為 10Hz,染料激光的線寬為0.12cm—V激光器的脈沖寬度為7ns。染料激光器輸出 的染料激光經(jīng)自穩(wěn)分光系統(tǒng)后形成四束在空間上相互平行的激光，并且四束光 在與光束垂直方向上形成正方形的四個(gè)頂點(diǎn)，將一束光擋住，另外三束光由焦 距為400mm的透鏡& 3會(huì)聚于樣品池中，在滿足相位共軛的將產(chǎn)生DF麗信號(hào)光， 信號(hào)光通過(guò)焦距為400mm的透鏡f2 4為準(zhǔn)直，經(jīng)一系列光欄濾光后由光電倍增 管檢測(cè)。將少量的固態(tài)碘放入兩端封有石英窗片的樣品池中，打開(kāi)氣閥使樣品 池中的壓強(qiáng)為大氣壓，然后關(guān)閉氣閥在常溫下使12達(dá)到飽和，常溫下I2的飽和 蒸汽壓約為40Pa,泵浦激光能量為20uJ時(shí)，掃描染料激光器的波長(zhǎng)，步長(zhǎng)為 0.002nm， 一個(gè)步長(zhǎng)打50個(gè)點(diǎn)取平均。光電倍增管的信號(hào)經(jīng)Boxcar平均后，由 計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和保存。在常溫常壓條件下，由于碰撞淬滅會(huì)大大降低激光誘導(dǎo)熒光光譜(LIF)的 檢測(cè)靈敏度，幾乎觀察不到碘蒸汽熒光光譜，但卻可獲得較強(qiáng)的碘蒸汽的簡(jiǎn)并 四波混頻信號(hào)。實(shí)驗(yàn)獲得碘蒸汽在554. 740nm-554. 588nm的DFWM光譜，并得到 該光譜隨能量變化的曲線，而且發(fā)現(xiàn)在常溫常壓條件下DF麗信號(hào)的背景噪聲并 沒(méi)有隨泵浦能量的增強(qiáng)而增大。
權(quán)利要求
1.一種四波混頻技術(shù)的像點(diǎn)對(duì)光法，其組成包括匯聚平行光、成像到電荷藕合元件CCD獲得重疊區(qū)，其特征是所述的匯聚平行光是忽略窗片對(duì)光束會(huì)聚的影響，在垂直面上通過(guò)正方形頂點(diǎn)的三束平行光被會(huì)聚于樣品池中，所述的成像到CCD是用另一透鏡將焦點(diǎn)的像成到后面的CCD上，所述的獲得重疊區(qū)是在不移動(dòng)樣品池，準(zhǔn)確的將三束光會(huì)聚于樣品池中，得到的重疊區(qū)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的四波混頻技術(shù)的像點(diǎn)對(duì)光法，其特征是本方法在使用過(guò)程中已計(jì)算在光路中窗片偏角和透鏡像差。
全文摘要
四波混頻技術(shù)的像點(diǎn)對(duì)光法，四波混頻作為一項(xiàng)高靈敏度的光譜技術(shù)已在痕跡量原子、分子和自由基的探測(cè)方面取得了很大的成功。然而，目前在前向四波混頻的實(shí)驗(yàn)中，在對(duì)光的過(guò)程中卻存在諸多問(wèn)題。本發(fā)明組成包括匯聚平行光、成像到CCD、獲得重疊區(qū)，所述的匯聚平行光是忽略窗片對(duì)光束的會(huì)聚的影響在垂直面上通過(guò)正方形頂點(diǎn)的三束平行光被會(huì)聚于樣品池中，所述的成像到CCD是用另一透鏡將焦點(diǎn)的像成到后面的CCD上，所述的獲得重疊區(qū)是在不移動(dòng)樣品池，準(zhǔn)確的將三束光會(huì)聚于樣品池中，得到的重疊區(qū)。本發(fā)明應(yīng)用于光學(xué)領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G02F1/35GK101620355SQ200810137679
公開(kāi)日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2008年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月21日
發(fā)明者樊榮偉, 王維波, 陳德紅 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)