CN102954952A - 闪光光解系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及闪光光解系统。泵浦-探测LFP系统适于显著降低泵浦光源和探测光源的能量要求。该LFP系统包括基于光子晶体光纤的探测光源、适于产生具有纳焦或更高能量的光脉冲的泵浦光源、生成到探测光源的第一射束部分以及到泵浦光源的第二射束部分的主激光源、延迟发生器、计算机、光调制器以及检测器。

Description

闪光光解系统

技术领域

本发明涉及激光闪光光解的领域，并且更特别地涉及相对现有闪光光解光谱仪具有改进的性能的闪光光解系统。

背景技术

激光闪光光解（LFP）是被利用来研究化学过程和生物过程中的反应机理的技术。该技术曾在1966年由在法国的CNRS的Lindqvist被引入，并且该技术曾被全世界多个研究组快速地开发。LFP是通过在二十世纪六十年代早期的激光的发明引起的。LFP的技术包括生成要被研究的样品中的化学物种（chemical species）的脉冲激光源、能够感测样品中的光学变化的光学和电子系统以及被合适地配备来选择性地捕获、处理和显示数据的计算机。这些光学和电子系统构成能够捕获被称为“中间体”的短寿命的化学物种的光谱的快速光谱仪。这些光学和电子系统接着记录中间体随着时间的过去的演化。这样的快速光谱仪中的时间分辨率可以通过两种主要方法来实现。

第一方法包括在快速检测器的读出实时地被数字化并且被记录的地方使用快电子学，或者当电子快门（electronic gating）被应用到检测器时使用快电子学。电子快门通常与基于阵列的光谱仪一起使用，其中输出不能被足够快地处理以执行实时数据捕获。这两种技术通常都利用连续波（CW）疝弧灯或者脉冲疝弧灯作为探测光源（probe light source）。由于由探测光源产生的探测束的低的本征亮度以及差的准直，所以在探测束与泵浦（激发）束之间的光学重叠发生在大约1cm²的面积上，从而对激光脉冲加以诱发样品中的化学变化所需的能量要求。相对应的泵浦激光脉冲通常具有几个豪焦耳的能量。由于脉冲能量要求，所以只有有限数目的激光器（被称为调Q激光器（Q-switched laser））可以与疝弧灯探测光源一起被使用，以产生所要求的能量。

第二方法被称为光学快门或者“泵浦-探测”方法。在该方法中，样品的化学变化的动态通过研究一系列来自激光器的光脉冲而在当所述光脉冲（泵浦束）穿过样品时的不同时刻被监控。探测束和泵浦束穿越（travel through）相同体积的被研究样品。泵浦束的脉冲诱发样品中的影响样品的光学特性的瞬态化学变化。根据探测脉冲相对于泵浦脉冲何时到达样品，穿过样品的探测束的脉冲的光谱通过泵浦束对样品进行的变化而被更改。

在探测束在泵浦束之前行进的地方，探测束将仅仅在激发事件之前测量该样品。由于探测束被延迟，所以该探测束与泵浦脉冲同时到达该样品，从而对应于时间零点。探测束的延迟在期望的时间间隔上被递增地增加。探测束中的由检测器监控的相对应的变化因此被指派给在激发事件之后的特定的延迟（时间）。各种延迟处的一系列探测束表示关于样品中的由泵浦束引起的变化的动态的信息。

在探测束的延迟中的每个延迟处，探测束的两个光谱被检测器记录。第一光谱对应于与泵浦束一起穿越样品的探测束。第二光谱（参考光谱）对应于在没有泵浦束的情况下被发送通过样品的探测束。通常在特定的泵浦探测延迟处，为了获得足够的信噪比，一系列这样的探测光谱对被求平均值。这样的实验设置中的泵浦束能量经常被限制为几个豪焦耳。因此，为了在激发束中实现可比较的仪器灵敏度以及类似的光量子通量，泵浦束和探测束在样品中在小于1mm²的面积上在空间上被重叠。只有当诸如激光之类的经过高度准直的射束被使用时，可满足上述要求的探测束的生成才是可能的。

光学快门已经被成功地与飞秒激光器和皮秒激光器一起被使用。飞秒激光器输出或皮秒激光器输出被分为数个部分，所述数个部分中的一个被用来产生具有期望的波长规格的探测束，通常通过超连续谱生成或光参量放大来产生。用于超连续谱生成的材料通常是体材料，是诸如蓝宝石、氟化钙等等之类的晶体或者是诸如水之类的液体等等。最终得到的射束接着被用来探测样品中的光诱发的变化。通过使探测束的行进路径长度相对于泵浦束（其考虑到极高的时间分辨率）向下改变到数个飞秒，时间分辨率被实现。然而，为了在诸如蓝宝石之类的体材料中生成超连续谱，需要有具有高峰值功率（兆瓦）的激光脉冲，所述具有高峰值功率的激光脉冲只能由包括被放大的飞秒激光器（amplified femtosecond laser）的有限数目的激光器产生。这样的被放大的飞秒激光器是昂贵的并且具有大的脚点（8至10ft²）。

共同拥有的美国专利No. 7,817,270 B2展示了纳秒泵浦-探测LFP系统，所述纳秒泵浦-探测LFP系统适于泵浦光源和探测光源的基本上更低的能量要求。该LFP系统包括基于光子晶体光纤的探测光源、适于产生具有纳焦或更高的能量的光脉冲的泵浦光源、延迟发生器、计算机以及检测器。

发明内容

用于执行激光闪光光解的LFP系统已经出人意料地被开发，并且适于显著地降低泵浦和探测光源的能量要求。所述LFP系统包括探测光源、适于产生具有纳焦或更高水平能量的光脉冲的泵浦光源、延迟发生器、光调制器以及检测器。

在用于闪光光解的系统中，主激光源生成光束，并且分束器根据该光束生成第一部分射束以及第二部分射束。探测光源响应于第一部分射束，用于在闪光光解应用中生成第一脉冲光束，以穿越样品，其中探测光源是激光激励的光子晶体光纤。延迟发生器是光延迟线或光延迟发生器，以在整个闪光光解应用中调节在第一脉冲射束的生成与第二脉冲射束的生成之间的时间延迟。泵浦光源响应于来自延迟发生器的第二部分射束，用于生成第二脉冲光束，以穿越样品并启动样品中的化学反应。检测器接收到离开样品的第一脉冲射束，以检测样品中的由第二脉冲射束引起的第一脉冲射束吸收中的变化。

附图说明

当按照附图进行考虑时，通过阅读本发明的下面的详细描述，本发明的上述和其它目的以及本发明的优点对于本领域的技术人员将变得显而易见，其中示出有根据本发明的实施例的LFP系统的示意性布局。

具体实施方式

下面的详细描述以及随附的附图描述并图示了本发明的各种示例性的实施例。所述描述和附图用来使得本领域技术人员能够实现并使用本发明，而且并不意图以任何方式限制本发明的范围。关于所公开的方法，被呈现的步骤本质上是示例性的，并且因而步骤的顺序不是必需的或关键的。

参照附图，图示有LFP系统10，所述LFP系统10包括探测光源12、泵浦光源14、检测器16以及延迟发生器18。所示出的探测光源12是由激光器51泵浦的光子晶体光纤。探测光源12适于被聚焦到与数个平方微米一样小的面积。应理解的是，探测光源12可以是适于被聚焦到与数个平方微米一样小的面积的任何常规的探测光源，例如是诸如被耦合到光子光纤的脉冲飞秒激光振荡器。

泵浦光源14通常是由激光器51泵浦的谐波发生器或光参量振荡器并且被称为激发光源，其中所述激光器51适于产生具有至少数个纳焦的能量水平的经过准直的射束。泵浦光源14也可以根据需要是被放大的飞秒激光器、非被放大的飞秒激光振荡器、皮秒激光器、调Q纳秒激光器、染料激光器、氮分子激光器或纳秒微片激光器。

检测器16是适于测量由样品20引起的光吸收中的变化的宽带检测器（诸如基于CCD的光谱仪）。检测器16可以进一步适于向计算机23发送测量信号。应理解的是，检测器16可以是适于在电磁频谱的特定部分上测量光的特性的任何装置。

延迟发生器18通常是光延迟发生器。延迟发生器18与计算机23处于电通信，并且适于以光学方式控制在由探测光源12产生的探测束与由泵浦光源14产生的泵浦束之间的时间延迟。尽管通常的LFP实验很少要求超过10纳秒的延迟，但是延迟发生器18进一步适于选择性地使在泵浦束和探测束之间的延迟改变任何量。应理解的是，延迟发生器18可以被安装在泵浦光源14之前或之后或者被安装在探测光源12之前或之后。

LFP系统10进一步包括射束挡块（Beam Block）22、多个透镜光学系统24、26、28、29、多个反射光学系统32、34、36、53以及分束器52。射束挡块22适于捕获并吸收诸如经过准直的光束之类的电磁能量。

透镜光学系统24、26、28、29包括第一透镜24、第二透镜26、第三透镜28和第四透镜29。第一透镜24被布置在由探测光源12产生的射束的路径中，并且适于把探测束聚焦到样品20中。第二透镜26被布置在由泵浦光源14产生的射束的路径中，并且适于把泵浦束聚焦到样品20中。第三透镜28和第四透镜29适于收集由探测光源12产生的射束并将由探测光源12产生的射束引导至检测器16。虽然LFP系统10被示出具有四个透镜光学系统24、26、28、29，但是应理解的是，根据需要可以使用任意数目的透镜光学系统。可替换地，曲面镜可以替代透镜被利用。

反射光学系统32、34、36、53可以例如是指引光束的任何常规反射光学系统、诸如镜子。反射光学系统32、34、36、53被布置在由探测光源12以及泵浦光源14生成的射束的路径中，以影响射束的期望的方向。虽然LFP系统10被示出为具有四个反射光学系统32、34、36、53，但是应理解的是，任意数目的反射光学系统可以被用来影响射束的期望的方向。

分束器52被布置在由主激光源51生成的射束的路径中，以在期望的方向上反射主射束的两部分。主射束被分束器52分离成被指引到探测光源12的第一射束部分以及被指引到光调制器54的第二射束部分。调制器54接着向泵浦光源14提供第二射束部分。

在使用中，探测光源12生成被第一透镜24聚焦到样品20中为大约0.1mm²的面积中的探测束脉冲，而泵浦光源14生成被第二透镜26聚焦到为大约0.1mm²的相同面积中并且具有数个纳焦的能量水平的泵浦束脉冲。因此，引起探测束和泵浦束在样品20中在空间上重叠。泵浦束在穿过样品20之后被射束挡块22捕获。探测束被第三透镜28和第四透镜29收集，并且被引导到检测器16中。反射光学系统32、34、36被提供来指引来自光源12、14的射束。样品20的变化以及样品20的光吸收中的差异接着被检测器16测量并且被计算机23记录。

探测束脉冲以大约50KHz的恒定频率被产生。应理解的是，根据需要，任何频率可以被使用。计算机23通过延迟发生器18控制来自泵浦光源14的脉冲的时序。来自泵浦光源14的脉冲被发送到样品20，使得泵浦脉冲在探测脉冲之前期望的时间间隔，从而生成期望的泵浦-探测延迟。

光调制器54被用来调制来自泵浦光源14的泵浦脉冲。调制器54可以是光学斩波器、声光调制器、电光调制器等等。调制器54由PC 23控制。为了在样品20中不存在泵浦束脉冲的情况下获得探测束脉冲的光谱，信号被发送到以每隔一个探测束脉冲的速率阻塞泵浦脉冲的调制器54。

尽管实验的间隔通常将小于10纳秒，但是通过利用延迟发生器18改变探测束以及脉冲束的时序，在对于由LFP系统10对样品20进行的实验可得到的脉冲之间的延迟可以根据需要改变。LFP系统10的附加的益处包括将LFP系统10的整体尺寸减小到小于大约4-6 ft²的面积，其中所述减小是通过包括诸如透镜光学系统24、26、28、29以及反射光学系统32、34、36、53之类的光学部件来指引射束而实现的，从而如与其它市场上可买到的LSP系统相比最小化LFP系统10的整体成本。

根据本发明，LFP系统10包括主激光源51、探测光源12、泵浦光源14、检测器16、延迟发生器18以及光调制器54。探测光源12是通过由主激光器51生成的主光束的第一射束部分来泵浦的光子晶体光纤。探测光源12适于被聚焦到与数个平方微米一样小的面积。应理解的是，探测光源12可以例如是适于被聚焦到与数个平方微米一样小的面积的任何常规的探测光源，诸如是被耦合到光子光纤的调Q亚纳秒微片脉冲激光器。

泵浦光源14是来自主激光器51的射束的第二射束部分并且被称为激发光源，其中所述主激光器51适于产生具有至少数个纳焦的能量水平的经过准直的射束。根据需要，泵浦光源14也可以是经放大的飞秒激光器、皮秒激光器、调Q纳秒激光器、染料激光器、氮分子激光器、纳秒微片激光器、飞秒激光振荡器、谐波发生器或光参量振荡器。

延迟发生器18是光延迟线或光延迟发生器。延迟发生器18与计算机23处于电通信，并且适于以光学方式控制在由探测光源12产生的探测束与由泵浦光源14产生的泵浦束之间的时间延迟。尽管通常的LFP实验很少要求超过10纳秒的延迟，但是延迟发生器18进一步适于选择性地使在泵浦束和探测束之间的延迟改变任何量。

LFP系统10进一步包括分束器52以及反射光学系统53。由主激光源51生成的主射束射到分束器52上并且被分成两部分。第一部分射束被转到探测光源12。主激光源射束的第二部分被指引到反射光学系统53，以将第二部分射束重新指引到延迟发生器18。

在使用中，尽管实验的间隔通常将小于10纳秒，但是通过利用延迟发生器18改变探测束的时序以及脉冲束的时序，系统10使在对于对样品20的实验可得到的脉冲之间的延迟根据需要改变。

根据前面的描述，本领域技术人员可以容易地弄清本发明的本质特征，并且在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以对本发明进行各种变化和修改，以使本发明适于根据随附的权利要求书的范围的各种用途和条件。

Claims (8)

1.一种用于闪光光解的系统，其包括：

用于生成光束的主激光源；

用于根据所述光束生成第一射束部分和第二射束部分的分束器；

探测光源，所述探测光源响应于第一射束部分，用于在闪光光解应用中生成脉冲探测光束，以穿越样品，其中所述探测光源是激光激励的光子晶体光纤；

泵浦光源，所述泵浦光源响应于第二射束部分，用于生成脉冲泵浦光束，以穿越样品并启动样品中的化学反应；

延迟发生器，所述延迟发生器在整个闪光光解应用中调节在脉冲探测束的生成与脉冲泵浦束的生成之间的时间延迟；以及

接收离开样品的脉冲探测束的检测器，以检测样品中的由脉冲泵浦束引起的脉冲探测束吸收中的变化。

2.根据权利要求1所述的用于闪光光解的系统，其在所述分束器与所述延迟发生器之间进一步包括用于调制脉冲泵浦束的光调制器。

3.根据权利要求2所述的用于闪光光解的系统，其中，所述光调制器被操作来阻塞泵浦脉冲中的一些泵浦脉冲，以获得当没有被泵浦时穿越样品的探测束脉冲的光谱。

4.根据权利要求3所述的用于闪光光解的系统，其中，所述光调制器被操作来以每隔一个探测束脉冲的速率阻塞泵浦脉冲，以获得当没有被泵浦时穿越样品的探测束脉冲的光谱。

5.根据权利要求2所述的用于闪光光解的系统，其中，所述光调制器被操作来穿过泵浦脉冲中的一些泵浦脉冲，以获得当被泵浦时穿越样品的探测束脉冲的光谱。

6.根据权利要求5所述的用于闪光光解的系统，其中，所述光调制器被操作来以每隔一个探测束脉冲的速率使泵浦脉冲通过，以获得当被泵浦时穿越样品的探测束脉冲的光谱。

7.根据权利要求1所述的用于闪光光解的系统，其中，所述延迟发生器是光延迟线或光延迟发生器。

8.一种用于闪光光解的系统，其包括：

用于生成主光束的主激光源；

用于根据所述主光束生成第一射束部分和第二射束部分的分束器；

探测光源，所述探测光源响应于第一射束部分，用于在闪光光解应用中生成脉冲探测光束，以穿越样品，其中所述探测光源是激光激励的光子晶体光纤；

泵浦光源，所述泵浦光源响应于第二射束部分射束，用于生成脉冲泵浦光束，以穿越样品并启动样品中的化学反应；

延迟发生器，所述延迟发生器是光延迟线和光延迟发生器之一，以在整个闪光光解应用中调节在脉冲探测束的生成与脉冲泵浦束的生成之间的时间延迟；以及

接收离开样品的脉冲探测束的检测器，以检测样品中的由脉冲泵浦束引起的脉冲探测束吸收中的变化。

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