本發(fā)明涉及pump-probe光路結(jié)構(gòu)和生物樣本受激輻射等，尤其涉及一種基于pump-probe結(jié)構(gòu)的弱光信號測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、pump-probe技術(shù)于1987年由諾貝爾化學(xué)獎得主zewail最早提出，該方法最初被用來觀測化學(xué)反應(yīng)的瞬態(tài)過程，實現(xiàn)了將人類觀測瞬態(tài)動力學(xué)過程的時間分辨率帶入到飛秒尺度。一方面，相較于spad陣列或者條紋相機等設(shè)備時間分辨率極限在皮秒量級，pump-probe技術(shù)可以將時間分辨率提升到飛秒尺度；另一方面，該技術(shù)可以實現(xiàn)時間、空間、光譜、偏振以及角動量等多個光學(xué)維度的同時觀測，極大地提升了光學(xué)系統(tǒng)的觀測帶寬，這種技術(shù)在不可重復(fù)性實驗或有損樣本觀測的場景中具有極其顯著的作用和意義。

2、然而，在生物細(xì)胞或蛋白質(zhì)等樣本對光信號的相互作用的過程中，反應(yīng)信號往往是極其微弱的，且受限于常規(guī)試驗條件中環(huán)境光信號及pump光路的干擾。因此，迫切需要發(fā)展高信噪比、高精度的弱光信號測量裝置。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供一種基于pump-probe結(jié)構(gòu)的弱光信號測量裝置及其測量方法。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、基于pump-probe結(jié)構(gòu)的弱光信號測量裝置，包括：結(jié)構(gòu)光空間編碼模塊、時間延遲調(diào)控模塊、4-f成像系統(tǒng)和傳感器，所述結(jié)構(gòu)光空間編碼模塊產(chǎn)生pump泵浦光和probe探針光兩束光，其中，pump泵浦光經(jīng)空間調(diào)制后入射到樣本上，probe探針光經(jīng)時間延遲調(diào)控模塊后入射到樣本上，所述時間延遲調(diào)控模塊用于調(diào)節(jié)兩束光的光程差；所述樣本經(jīng)光照射受激輻射后產(chǎn)生瞬態(tài)光學(xué)信號，光學(xué)信號經(jīng)4-f成像系統(tǒng)后由傳感器接收。

4、進一步地，所述結(jié)構(gòu)光空間編碼模塊包括飛秒激光器、分光棱鏡和空間光調(diào)制器，所述飛秒激光器產(chǎn)生超短光脈沖，經(jīng)分光棱鏡分成兩束偏振方向相互垂直的光，其中一束光作為pump泵浦光，另一束光作為probe探針光；所述空間光調(diào)制器對光信號進行光學(xué)編碼，引入空間頻率。

5、進一步地，所述空間光調(diào)制器為相位調(diào)制型或振幅調(diào)制型中的一種或多種。

6、進一步地，所述時間延遲調(diào)控模塊包括直角棱鏡反射鏡組和一維平移臺，一維平移臺用來調(diào)整直角棱鏡反射鏡組的位置。

7、進一步地，所述直角棱鏡反射鏡組采用四個相同的斜面鍍膜的等腰直角棱鏡，其中，第一、第二個直角棱鏡背靠背組裝在一起，鍍膜的反射斜面之間夾角為90°，第三、第四個直角棱鏡的直角邊成一條直線擺放，鍍膜的斜面之間夾角同樣為90°，第一與第三個直角棱鏡的斜邊是平行的，第二與第四個直角棱鏡的斜邊也是平行的；第三、第四個直角棱鏡固定在所述一維平移臺上。

8、進一步地，所述4-f成像系統(tǒng)包括兩個透鏡以及一個孔徑光闌，所述孔徑光闌放置在兩個透鏡中間的焦平面上。

9、進一步地，所述pump泵浦光經(jīng)空間調(diào)制后與probe探針光經(jīng)時間延遲調(diào)控模塊后的光由分光棱鏡合束后入射到樣本上。

10、進一步地，所述裝置還包括圖像處理模塊，與傳感器連接，用于對所述光學(xué)信號進行弱信號分析。

11、本發(fā)明還提供上述基于pump-probe結(jié)構(gòu)的弱光信號測量裝置的測量方法，首先激光產(chǎn)生pump泵浦光probe探針光兩束光，pump泵浦光被空間調(diào)制加載周期性條紋或散斑圖，因此該光束在空間上攜帶了高頻信息，按照傳輸方向?qū)⒐鈴姲凑占虞d的圖案結(jié)構(gòu)照射樣本，使得樣本區(qū)域性的吸收pump光；與此同時，probe探針光不攜帶空間高頻信息，均勻照射樣本，使得已吸收pump光能量的樣本區(qū)域產(chǎn)生受激輻射躍遷；然后通過4-f光學(xué)系統(tǒng)隔離光強較大的低頻信號，保留通過空間調(diào)制出的高頻空間信息，獲得信號的光場信息。

12、進一步地，，獲得信號的光場信息后，結(jié)合弱信號處理算法計算得出樣本中產(chǎn)生的受激輻射信號。

13、本發(fā)明由于引入空間調(diào)制器產(chǎn)生的空間頻率信息以及4-f信號處理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)基于受激輻射場景的pump光與probe光信號的分解，因此可以在超強光強背景下分離出目標(biāo)弱光信號，進而在空間尺度上單曝光地采集受激輻射信號；同時結(jié)合由直角反射鏡組組成的時延系統(tǒng)，實現(xiàn)在時間尺度上分析瞬態(tài)光學(xué)過程，時間精度可以達到～10fs量級。

技術(shù)特征：

1.基于pump-probe結(jié)構(gòu)的弱光信號測量裝置，其特征在于，該裝置包括：結(jié)構(gòu)光空間編碼模塊、時間延遲調(diào)控模塊、4-f成像系統(tǒng)和傳感器，所述結(jié)構(gòu)光空間編碼模塊產(chǎn)生pump泵浦光和probe探針光兩束光，其中，pump泵浦光經(jīng)空間調(diào)制后入射到樣本上，probe探針光經(jīng)時間延遲調(diào)控模塊后入射到樣本上，所述時間延遲調(diào)控模塊用于調(diào)節(jié)兩束光的光程差；所述樣本經(jīng)光照射受激輻射后產(chǎn)生瞬態(tài)光學(xué)信號，光學(xué)信號經(jīng)4-f成像系統(tǒng)后由傳感器接收。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于pump-probe結(jié)構(gòu)的弱光信號測量裝置，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)光空間編碼模塊包括飛秒激光器、分光棱鏡和空間光調(diào)制器，所述飛秒激光器產(chǎn)生超短光脈沖，經(jīng)分光棱鏡分成兩束偏振方向相互垂直的光，其中一束光作為pump泵浦光，另一束光作為probe探針光；所述空間光調(diào)制器對光信號進行光學(xué)編碼，引入空間頻率。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于pump-probe結(jié)構(gòu)的弱光信號測量裝置，其特征在于，所述空間光調(diào)制器為相位調(diào)制型或振幅調(diào)制型中的一種或多種。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于pump-probe結(jié)構(gòu)的弱光信號測量裝置，其特征在于，所述時間延遲調(diào)控模塊包括直角棱鏡反射鏡組和一維平移臺，一維平移臺用來調(diào)整直角棱鏡反射鏡組的位置。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于pump-probe結(jié)構(gòu)的弱光信號測量裝置，其特征在于，所述直角棱鏡反射鏡組采用四個相同的斜面鍍膜的等腰直角棱鏡，其中，第一、第二個直角棱鏡背靠背組裝在一起，鍍膜的反射斜面之間夾角為90°，第三、第四個直角棱鏡的直角邊成一條直線擺放，鍍膜的斜面之間夾角同樣為90°，第一與第三個直角棱鏡的斜邊是平行的，第二與第四個直角棱鏡的斜邊也是平行的；第三、第四個直角棱鏡固定在所述一維平移臺上。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于pump-probe結(jié)構(gòu)的弱光信號測量裝置，其特征在于，所述4-f成像系統(tǒng)包括兩個透鏡以及一個孔徑光闌，所述孔徑光闌放置在兩個透鏡中間的焦平面上。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于pump-probe結(jié)構(gòu)的弱光信號測量裝置，其特征在于，所述pump泵浦光經(jīng)空間調(diào)制后與probe探針光經(jīng)時間延遲調(diào)控模塊后的光由分光棱鏡合束后入射到樣本上。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于pump-probe結(jié)構(gòu)的弱光信號測量裝置，其特征在于，所述裝置還包括圖像處理模塊，與傳感器連接，用于對所述光學(xué)信號進行弱信號分析。

9.利用如權(quán)利要求1所述基于pump-probe結(jié)構(gòu)的弱光信號測量裝置的測量方法，其特征在于，首先激光產(chǎn)生pump泵浦光probe探針光兩束光，pump泵浦光被空間調(diào)制加載周期性條紋或散斑圖，因此該光束在空間上攜帶了高頻信息，按照傳輸方向?qū)⒐鈴姲凑占虞d的圖案結(jié)構(gòu)照射樣本，使得樣本區(qū)域性的吸收pump光；與此同時，probe探針光不攜帶空間高頻信息，均勻照射樣本，使得已吸收pump光能量的樣本區(qū)域產(chǎn)生受激輻射躍遷；然后通過4-f光學(xué)系統(tǒng)隔離光強較大的低頻信號，保留通過空間調(diào)制出的高頻空間信息，獲得信號的光場信息。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的測量方法，其特征在于，獲得信號的光場信息后，結(jié)合弱信號處理算法計算得出樣本中產(chǎn)生的受激輻射信號。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于pump?probe結(jié)構(gòu)的弱光信號測量裝置及方法。該裝置包括：結(jié)構(gòu)光空間編碼模塊、時間延遲調(diào)控模塊、4?f成像系統(tǒng)和傳感器，結(jié)構(gòu)光空間編碼模塊產(chǎn)生pump泵浦光和probe探針光兩束光，其中，pump泵浦光經(jīng)空間調(diào)制后入射到樣本上，probe探針光經(jīng)時間延遲調(diào)控模塊后入射到樣本上，時間延遲調(diào)控模塊用于調(diào)節(jié)兩束光的光程差；樣本經(jīng)光照射受激輻射后產(chǎn)生瞬態(tài)光學(xué)信號，光學(xué)信號經(jīng)4?f成像系統(tǒng)后由傳感器接收。本發(fā)明通過空間頻率的引入，實現(xiàn)強背景光照環(huán)境下的信號光提取，能大幅提升圖像信噪比。

技術(shù)研發(fā)人員：胡雪梅,周昊昊,岳濤
受保護的技術(shù)使用者：南京大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/28