基于条纹相机的显微瞬态角分辨反射/透射光谱测量系统

本发明涉及一种角分辨光谱测量系统，尤其是涉及一种基于条纹相机的显微瞬态角分辨反射/透射光谱测量系统，属于显微角分辨光谱测量领域。

背景技术：

1、研究光和物质的相互作用对发展光学探测器、发射器、激光等光电器件具有极为重要的意义。激子极化激元是光子和激子发生强耦合后所形成的准粒子，它同时具有光子和激子双重特性，可以实现室温玻色-爱因斯坦凝聚和低阈值极化子激光，有利于发展各种极化子器件。表面等离极化激元—般指金属纳米结构中自由电子的谐振运动，具有很多特殊的光学性质，它够将电磁场局域于亚波长尺度范围内从而突破衍射极限实现在纳米尺度下对电磁场进行调控，同时它将电磁场能量局域在金属介质界面附近波长范围内这使得界面附近电磁场得到极大增强，对表面增强拉曼散射、表面增强荧光、表面增强红外光谱等表面增强现象的研究具有重要意义。

2、由于激子极化激元以及表面等离极化激元等准粒子具有色散特性，可以通过角分辨光谱对其特性以及调控方式进行研究。然而激子极化激元以及表面等离极化激元等准粒子的产生和湮灭过程可以在极短的时间内发生，以及粒子之间的散射和转化过程甚至在飞秒的时间尺度，为了研究这些微观粒子的超快动力学过程，对角分辨光谱的时间分辨能力提出了要求，而目前大部分的角分辨光谱测量系统缺乏时间分辨的能力，无法得到不同时间下的角分辨光谱。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是提供一种基于条纹相机的显微瞬态角分辨反射/透射光谱测量系统，实现对不同时间下的瞬态角分辨光谱进行采集，能够对角分辨光谱的超快动力学进行分析，且能够同时获取时间，角度，波长三个维度的信息，从三个维度对光信号进行解析，从而全面分析样品对激发光的响应状态，进而判断样品中光和物质的耦合状态。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

3、本发明公开的基于条纹相机的显微瞬态角分辨反射/透射光谱测量系统，包括反射激发光路、透射激发光路、收集光路、显微照明模块；反射/透射激发光路将脉冲激光光源变为宽谱脉冲白光光源，将其聚焦在样品表面；收集光路通过条纹相机实现时间分辨，通过k空间面上的小孔实现角度分辨，通过光栅实现波长或者能量的分辨；显微照明模块对样品实现显微照明确定样品位置。

4、本发明公开的基于条纹相机的显微瞬态角分辨反射/透射光谱测量系统，包括反射激发光路、透射激发光路、收集光路、显微照明模块。

5、反射激发光路包括反射激光激发光路和反射白光激发光路。

6、反射激光激发光路包括飞秒激光光源、第四半透半反镜、第二物镜、样品台；飞秒激光光源发出飞秒脉冲激光穿过第一半透半反镜和第二半透半反镜到达第四半透半反镜，由第四半透半反镜将飞秒脉冲激光反射进入第二物镜，样品位于第二物镜的焦点处，第二物镜将飞秒脉冲激光聚焦在安置在样品台的样品表面，以激发样品。

7、反射白光激发光路包括飞秒激光光源、第一半透半反镜、白光晶体、第一反射镜、第三半透半反镜、第二半透半反镜、第四半透半反镜、第二物镜、样品台；飞秒激光光源发出飞秒脉冲激光经过第一半透半反镜反射到白光晶体上，白光晶体将飞秒脉冲激光转化为脉冲宽谱白光，脉冲宽谱白光通过第一反射镜反射到第三半透半反镜上，由第三半透半反镜反射到第二半透半反镜，由第二半透半反镜反射到第四半透半反镜上，由第四半透半反镜将脉冲宽谱白光反射进入第二物镜，样品位于第二物镜的焦点处，第二物镜将脉冲宽谱白光聚焦在安置在样品台的样品表面，以激发样品。

8、透射激发光路包括飞秒激光光源、第一半透半反镜、白光晶体、第一反射镜、第二反射镜、第一物镜、样品台；飞秒激光光源发出飞秒脉冲激光经过第一半透半反镜反射到白光晶体上，白光晶体将飞秒脉冲激光转化为脉冲宽谱白光，脉冲宽谱白光通过第一反射镜反射，穿过第三半透半反镜到达第二反射镜上，由第二反射镜将脉冲宽谱白光反射进入第一物镜，样品位于第一物镜的焦点处，第一物镜将脉冲宽谱白光聚焦在安置在样品台的样品表面，以激发样品。

9、收集光路包括第二物镜、第一透镜、磁吸底座、第二透镜、电动精密移动小孔、第三透镜、三自由度位移台、光栅、条纹相机水平狭缝、条纹相机；样品无论由反射激发光路激发或者由透射激发光路激发都通过收集光路进行收集，样品位于第二物镜的焦点处，样品表面发出的不同角度的光信号通过第二物镜汇聚在第二物镜的后焦面上，此时第二物镜作为一个傅里叶变换器件将同一个角度发出的光信号汇聚的后焦面的一个位置上，将不同角度的光信号汇聚在后焦面的不同位置，角度和位置一一对应，将角度信息转化为k空间的位置信息，第一透镜和第二物镜共聚焦，即两者之间的距离为第一透镜和第二物镜的焦距之和，第二透镜和电动精密移动小孔之间的距离为第二透镜的焦距，由此，第一透镜和第二透镜将透过第四半透半反镜、第五半透半反镜、第六半透半反镜的第二物镜后焦面的k空间光信号移到电动精密移动小孔的移动平面，由电动精密移动小孔对k空间的位置进行选择，通过电动精密移动小孔的光信号由安装在三轴位移台的第三透镜聚焦在光栅的同一个位置上，光栅进行分光，将不同波长的光信号，色散到条纹相机条纹相机水平狭缝上，条纹相机将不同时间进入条纹相机水平狭缝的光信号进行扫描，完成一个脉冲周期时间的采集，得到一个k空间位置的时间分辨光谱。

10、根据第一透镜和第二透镜的焦距计算k空间面积的大小，确定电动精密移动小孔的移动距离的方法为：

11、x为小孔距离光轴中心的距离。第一透镜的焦距为l1，第二透镜的焦距为l2，第二物镜的后通光孔直径为d，焦距为f。

12、

13、

14、(xmax，xmin)为x的移动范围，α为k空间的映射角度

15、

16、控制电动精密移动小孔在k空间所在的平面上在(xmax，xmin)的范围内移动，每移动一个位置，调节三轴位移台，使第三透镜将通过电动精密移动小孔的光信号聚焦在光栅的同一个位置，光栅进行分光，将不同波长的光信号，色散到条纹相机水平狭缝上。

17、色散范围的计算方法：

18、通过计算色散范围，调节条纹相机的相对位置y，确保光束色散到条纹相机水平狭缝上。

19、条纹相机的宽度为e

20、由光栅方程

21、d(sinθm+sinθi)＝mλ

22、光信号垂直入射光栅，即θi＝0，白光范围在λmin-λmax的一级衍射角度极限为θλmin与θλmax

23、

24、

25、

26、

27、条纹相机将不同时间进入条纹相机水平狭缝的光信号进行扫描，完成一个脉冲周期时间的采集，得到不同k空间位置的时间分辨光谱，控制电动精密移动小孔在k空间所在的平面上移动完成一次扫描，即可得到不同k空间位置对应的不同角度的时间分辨光谱，既不同时间下的瞬态角分辨光谱。

28、此外，第一透镜安装在磁吸底座上，第一透镜可以通过磁吸底座移入或者移出光路，当将第一透镜移出光路时，样品表面发出的光信号通过第二物镜变成平行光，光信号穿过第四半透半反镜、第五半透半反镜、第六半透半反镜，通过第二透镜汇聚在精密移动小孔上，穿过小孔的光信号由安装在三轴位移台的第三透镜聚焦在光栅上，光栅进行分光，将不同波长的光信号，色散到条纹相机条纹相机水平狭缝上，条纹相机将不同时间进入条纹相机水平狭缝的光信号进行扫描，完成一个脉冲周期时间的采集，即得到时间分辨的全角度光谱，实现瞬态荧光光谱和瞬态吸收光谱的测试。

29、显微照明模块包括ccd相机、照明白光、第五半透半反镜、第六半透半反镜。显微照明模块可实现对微米级别样品的区域照明和定位，通过半透半反镜在实时观测样品的同时实现对微区样品预定位置光的激发，以便实时收集微区样品的角分辨光谱。照明白光发出的白光通过第五半透半反镜反射，穿过第四半透半反镜进入到物镜里，聚焦到样品台上实现样品照明，经由样品反射的白光通过第六半透半反镜反射到ccd相机上，实现样品的照明成像，即通过第五半透半反镜、第六半透半反镜使得激发光束和收集信号与成像照明光路互不干扰，在实时观测样品的同时实现对微区样品预定位置光的激发，且不需要对光路中的任何光学元件进行切换，以便实时收集微区样品的角分辨光谱。

30、白光晶体包括但不限于yag晶体、蓝宝石晶体、caf2晶体。

31、本发明中的半透半反镜的透射与反射比为1：1,作为分束器件，尽可能减小对整个光路的影响。

32、有益效果：

33、1、本发明公开的基于条纹相机的显微瞬态角分辨反射/透射光谱测量系统，针对目前的角分辨光谱测量缺乏时间分辨的能力，利用条纹相机将时间信息转变为位置信息，能够实现显微瞬态角分辨反射/透射光谱的测量。本发明能够实现对不同时间下的瞬态角分辨光谱进行采集，可对角分辨光谱的超快动力学进行分析。

34、2、本发明公开的基于条纹相机的显微瞬态角分辨反射/透射光谱测量系统，利用条纹相机实现时间分辨，利用位于k空间面上的小孔实现角度分辨，利用光栅实现波长或者能量的分辨，能够同时从三个维度对光信号进行解析，从而全面分析样品对激发光的响应状态，进而判断样品中光和物质的耦合状态。

35、3、本发明公开的基于条纹相机的显微瞬态角分辨反射/透射光谱测量系统，具有透射模式和反射模式两种配置，能够实现瞬态角分辨光谱和瞬态全角度光谱的切换，由此也能够实现瞬态荧光光谱和瞬态反射/透射吸收光谱的测试。