申请/专利权人：之江实验室;浙江大学

申请日：2021-08-18

公开（公告）日：2024-04-16

公开（公告）号：CN113834515B

主分类号：G01D21/00

分类号：G01D21/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.16#授权;2022.01.11#实质审查的生效;2021.12.24#公开

摘要：本发明公开了一种高时空分辨双光子激光直写原位红外探测装置与方法，该装置基于光参量效应产生红外波段飞秒激光，脉冲时间短、峰值能量高；解决了传统双光子激光直写原位红外探测技术中时间分辨率低，无法实现超快动力学过程原位探测的问题。基于反射式物镜对红外飞秒激光进行聚焦，并结合共聚焦光学系统；解决了传统双光子激光直写原位红外探测技术中空间分辨率低，无法实现局部精细区域动力学过程原位探测的问题。本发明还公开了两种高时空分辨双光子激光直写原位红外探测方法，可以分别针对空间定点动力学过程，以及材料超快动力学过程进行原位探测，方法简单、适用面广、拓展性强。

主权项：1.一种高时空分辨双光子激光直写原位红外探测装置，其特征在于，系统由光源调控系统、双光子激光直写系统和高时空分辨原位红外探测系统等组成；所述光源调控系统包括飞秒激光振荡器、放大器、分束合束器、时间延迟线装置、高速光调控器、波长转换器；飞秒激光由振荡器产生后进入放大器进行能量放大；通过分束合束器进行分束，一束作为刻写光，进入双光子激光直写系统；另一束经由高速光调控器后进入波长转换器，产生波段连续可调飞秒激光光源，作为探测光进入高时空分辨原位红外探测系统；刻写光与探测光之间有一个时间延迟线装置，调节两束飞秒脉冲到达样品的时间间隔；所述双光子激光直写系统包括群速度色散补偿单元、高速光调控器、扩束缩束单元或光束整形单元、扫描单元、样品台单元、照明与成像单元；刻写光通过群速度色散补偿单元对飞秒脉冲进行负的群速度色散预补偿，用于抵消后续光路传播中所产生的正群速度色散；由群速度色散补偿单元出射的激光通过高速光调控器件进行光强调制；再经由扩束缩束单元或光束整形单元将光斑调整到合适大小后进入扫描单元，由扫描单元控制激光束在光刻胶内进行扫描，光刻胶将置于样品台单元处；照明与成像单元提供一束可见光照射样品，用于对刻写过程进行成像观察；所述高时空分辨原位红外探测系统包括扩束缩束单元或光束整形单元、共聚焦单元和红外信号收集单元；探测光由扩束缩束单元或光束整形单元将光斑调整到合适大小后经分束器进入反射式物镜，聚焦到样品处；样品焦点处散射出的光重新被物镜收集，并通过一个共聚焦单元耦合到红外信号收集单元中，用于检测；所述高速光调控器包括但不限于以下器件：AOM声光调制器、EOM电光调制器、AOD声光偏转器；所述波长转换器包括但不限于以下器件：光参量振荡器、光参量放大器、差频转换器，以及至少含有一种上述器件的组合；所述红外信号收集单元，包括红外光栅光谱仪或红外光栅单色仪；所述共聚焦单元包括反射式物镜、分束合束器、透镜、狭缝；光线由分束合束器反射或透射后，入射到反射式物镜并聚焦到样品；另一方面，由物镜出射的光经分束合束器透射或反射后，由透镜聚焦到狭缝处；所述群速度色散补偿单元包括半波片、群速度色散补偿元件对、反射镜以及一维位移台；飞秒激光入射后首先透过半波片，经一面D反射镜以及一面圆形反射镜后，通过群速度色散补偿元件对，再经过屋脊反射镜提升高度并再次返回群速度色散补偿元件对，共计经过群速度色散补偿元件4次；通过一维位移台调节群速度色散补偿元件对之间的距离可调节补偿量；所述群速度色散补偿元件包括但不限于以下器件：光栅或棱镜；所述时间延迟线装置包括4个反射镜和一个一维位移台，光线经过4次90°反射后回到原传播路线；第二面和第三面反射镜置于一维位移台上方，一维位移台移动方向为第一次反射后方向；通过调节位移台可实现刻写光脉冲与探测光脉冲到达样品的时间间隔；所述扩束缩束单元包括两个透镜，前后摆放，两个透镜焦点重合，焦距与入射出射光斑大小之间存在以下关系：；所述光束整形单元在扩束缩束单元的基础上，在两个透镜重合的焦点位置放置一个针孔，针孔大小D由以下公式确定：，表示波长，f表示入射透镜焦距，r表示入射光束能量处半径；所述扫描单元，包括扫描器件与光学系统；所述扫描器件，根据扫描方式不同分为一维扫描器件，二维扫描器件和三维扫描器件；所述一维扫描器件包括但不限于以下器件：一维振镜、多面体转镜或者AOD声光偏转器；所述二维扫描器件包括但不限于以下器件：二维振镜或者上述两种一维扫描器件的组合；所述三维扫描器件包括但不限于以下器件：上述二维扫描器件与一维位移台的组合，或者三维位移台，或者二维扫描器件与变焦透镜的组合，或者二维扫描器件与空间光调制器的组合；所述光学系统，包括一个物镜以及0-N组4f透镜组，N的大小根据扫描方式确定；所述扫描方式包括一维扫描方式，二维扫描方式和三维扫描方式；对于一维扫描方式，光学系统可使用一个单独物镜或者一个物镜加上一组4f透镜组；若使用单物镜，将物镜直接放置于一维扫描器件出射处，放置距离越近，扫描角度越大；若使用一个物镜加上一组4f透镜组，4f透镜组放置于一维扫描器件与物镜之间，一维扫描器件与物镜分别放置于4f透镜组前后焦平面处；对于二维扫描方式，在一维扫描光学系统的基础上，可根据需要在二维扫描器件内添加一组4f透镜组，相较于添加前可获得更大的扫描范围；二维扫描器件分成两个一维扫描器件，分别放置于所添加4f透镜组前后焦平面处；对于三维扫描方式，如使用二维扫描器件与一维位移台的组合，其光学系统与二维扫描方式相同；如使用三维位移台，则仅需一个单物镜；如使用二维扫描器件与变焦透镜或者空间光调制器的组合，其光学系统在二维扫描方式基础上添加变焦透镜或空间光调制器，添加位置通常在二维扫描器件之前，但也可放置在其他位置；所述样品台单元，包括光刻胶衬底、光刻胶衬底固定器件以及位移台；所述光刻胶包括但不限于以下光刻胶体系：以丙烯酸体系为代表的自由基型光刻胶、以SU-8为代表的阳离子型光刻胶、多功能型的硫醇-烯类光刻胶体系、光刻正胶体系、有机无机混合光刻胶体系、水凝胶体系，以及至少含有一种上述光刻胶体系的组合；所述光刻胶衬底使用红外透明材料，包括但不限于以下材料：蓝宝石、氟化钙、氟化镁、溴化钾、氟化钡、金刚石、锗、硒化锌、硅；所述光刻胶衬底固定器件包括但不限于以下器件：粘贴胶带、真空吸附平台以及电磁吸附平台；所述照明与成像单元，包括照明灯、光阑、聚光透镜、分束合束器、成像透镜、调焦器以及相机；照明灯通过光阑，经聚光透镜转化为平行光，再经分束合束器反射或透射由成像透镜聚焦于物镜入瞳处；另一方面，由物镜出射的光经过成像透镜透射或反射，将物镜焦平面成像到相机；调焦器置于相机前用于调焦。

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