[发明专利]基于全反射镜的二维光谱测量装置及测量方法

权利要求书

1.一种基于全反射镜的二维光谱测量装置，特征在于其构成包括：分束挡板(1)、方形柱体四面反射镜(2)、第一延时反射镜(3)、第二延时反射镜(4)、第三延时反射镜(5)、第四延时反射镜(6)、空间滤波器(7)、衰减片(8)、第一凹面反射镜(9)、样品(10)、第二凹面反射镜(11)、挡光板(12)和光谱测量装置(13)，所述的方形柱体四面反射镜(2)是方形柱体四个外侧面均为反射镜的反射体，所述的第一延时反射镜(3)、第二延时反射镜(4)、第三延时反射镜(5)、第四延时反射镜(6)均由两个反射镜面构成，两个镜面之间的角度相等，沿入射激光的方向依次是所述的分束挡板(1)和方形柱体四面反射镜(2)，所述的入射激光光束的中心与所述的分束挡板(1)上四个小孔组成的矩形的中心重合，所述的方形柱体四面反射镜(2)的轴线竖直且一相对的边棱与过所述的分束挡板(1)的中心的对称轴共平面，在所述的方形柱体四面反射镜(2)的两侧的上下分别设置所述的第一延时反射镜(3)、第二延时反射镜(4)、第三延时反射镜(5)和第四延时反射镜(6)，所述的第一延时反射镜(3)、第二延时反射镜(4)、第三延时反射镜(5)和第四延时反射镜(6)分别安装在各自的可控平移台上，使由所述的入射激光经所述的分束挡板(1)的四个小孔出射的四束平行光束：参考光束、a光束、b光束和c光束，分别入射并经所述的方形柱体四面反射镜(2)两邻面反射，再分别经所述的第一延时反射镜(3)、第二延时反射镜(4)、第三延时反射镜(5)和第四延时反射镜(6)反射射向到所述的方形柱体四面反射镜(2)的另两邻面，反射后仍为四束平行光束，在该四束平行光束方向依次是所述的空间滤波器(7)、第一凹面反射镜(9)、样品(10)、第二凹面反射镜(11)、挡光板(12)和光谱测量装置(13)，所述的第一凹面反射镜(9)和第二凹面反射镜(11)相对且共焦平面，所述的样品(10)位于第一凹面反射镜(9)和第二凹面反射镜(11)的共焦平面处，所述的衰减片(8)处于所述的样品(10)之前的参考光路上，所述的四束激光入射到第一凹面反射镜(9)上聚焦到样品(10)上，经过样品(10)的四束激光又经过第二凹面反射镜(11)重新变为四束平行光束，该四束平行光束经过所述的挡光板(12)后，只让所述的参考光和信号光通过，最后入射到光谱仪(13)。

2.根据权利要求1所述的二维光谱测量装置，其特征在于所述的所述的第一延时反射镜(3)、第二延时反射镜(4)、第三延时反射镜(5)、第四延时反射镜(6)均由两个反射镜面构成，两个镜面之间的角度为直角。

3.利用权利要求1所述的二维光谱测量装置进行二维光谱测量的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1)校准光路：将所述的样品(10)替换为CCD，移动CCD的位置，使得CCD位于第一凹面反射镜(9)的焦平面处，此时四束激光应在CCD上重合，否则，通过调整所述的不重合光束所经过的所述的第一延时反射镜(3)、第二延时反射镜(4)、第三延时反射镜(5)、第四延时反射镜(6)，直到四束激光重合为止；

确定通过所述的第一延时反射镜(3)、第二延时反射镜(4)、第三延时反射镜(5)、第四延时反射镜(6)的光束分别为参考光束、a光束、b光束、c光束，然后在分束挡板(1)上遮挡两个小孔，只让参考光束、a光束两束光束通过，调节第二延时反射镜(4)所对应的延时反射镜的平移台，直到CCD上产生干涉条纹，此时说明两光束已经在时间空间上重合；再遮挡掉该a光束，保留参考光束，放开刚刚遮挡的两光束的其中b光束，调节该b光束所对应的第三延时反射镜的平移台，直至CCD上同样出现干涉条纹；以同样的方法调节最后c束光的第四延时反射镜的平移台，直至CCD上同样出现干涉条纹，完毕后四束光在CCD的位置上应是时间空间都重合；然后撤下CCD，将样品(10)放置在第一凹面反射镜(9)的焦平面处，此时由于a光束、b光束、c光束的激发，样品(10)会产生信号光，信号光的方向和参考光的方向一致；在样品(10)前的参考光路中插入所述的衰减片(8)，使所述的参考光的强度与所述的信号光相当；

2)经过样品(10)后的四束激光入射到第二凹面反射镜(11)上后重新变为四束平行光束，然后利用带有小孔的挡光板(12)只让参考光和信号光通过，此时参考光和信号光在空间上是重合的；

3)利用光谱仪探测参考光和信号光的光谱干涉条纹：调节参考光所对应的第一延时反射镜(3)平移台，确保参考光是最先入射到样品上，同时应保证干涉条纹的密度适当，调节光路的时候可以先遮挡参考光，用光谱仪(13)查看是否有信号光，如果没有，微调样品(10)的位置，确保样品的确位于焦平面上，所述的信号光理应是a光束、b光束和c光束共同产生的非线性信号，遮挡其中任一束光之后不应该产生信号光；

4)在观测到干涉条纹之后，利用光谱仪(13)对样品(10)进行数据的采集，方法如下：

第一步：移动第二延时反射镜(4)的平移台、第三延时反射镜(5)的平移台和第四延时反射镜(6)的平移台，使a光束，b光束均领先于c光束，领先的时间间隔记为T，T可取值为0-几百飞秒，此时a光束和b光束之间的延时为0；

第二步：移动第二延时反射镜(4)的平移台，令a光束领先b光束时间τ；然后移动第二延时反射镜(4)的平移台，令a光束以固定步长Δt向b光束靠近，直至重合，每移动一次第二延时反射镜(4)的平移台，所述的光谱仪(13)采集一次干涉条纹；此过程除a光束外，其他光束都不应发生改变；

第三步：移动第三延时反射镜(5)的平移台，令b光束领先a光束时间τ，并确保a光束和光束c之间的延时仍然是T；然后移动第三延时反射镜(5)的平移台，令b光束以固定步长Δt向a光束靠近，直至重合；每移动一次第三延时反射镜(5)的平移台，所述的光谱仪(13)采集一次干涉条纹；此过程除b光束外，其他光束都不应发生改变；

第四步：遮挡b光束和参考光束，此时a光束仍领先c光束时间T；令c光束为探测光，a光束为泵浦光，所述的光谱仪(13)进行泵浦探测，得到样品(10)的泵浦探测吸收光谱，用于二维光谱的相位校正。