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超快时间分辨光谱技术可以用来分析各种超快物理过程的时间动力学行为,被广泛应用于物理、化学、生物医学、环境科学等众多领域,具有重要的基础研究意义和应用前景。目前,采用电子技术(除条纹相机外)获得的最快时间分辨率一般只能达到纳秒量级。随着超短脉冲激光技术的快速发展,单个激光脉冲的时间宽度已经达到了飞秒甚至阿秒量级。利用超短脉冲激光与物质的相互作用,可以轻易实现飞秒量级的时间分辨率。
本文以SrTiO3晶体作为非线性光克尔介质,建立了一套基于光克尔门技术的超快时间分辨测量系统,重点对系统的信噪比和测量精度进行了优化。由于SrTiO3晶体在强光作用下产生光克尔效应时,同时会产生宽谱带的双光子激发荧光。为避免背景荧光以及泵浦光散射等噪声对信噪比的影响,我们采取了以下措施:(1)采用锁相放大探测技术从同频率的荧光背景中来提取出信号光从而提高信噪比;(2)选择合适的泵浦光强,在兼顾SrTiO3晶体的光克尔效应的同时,尽量减小双光子泵浦荧光强度;(3)增加SrTiO3晶体与探测器之间的距离,减少到达探测器的双光子泵浦荧光的比例;(4)采用封闭全部光路的方法,以减少泵浦光的散射,以及其他光源的影响。
为了进一步提高测量效率和测量精度,我们设计了自动数据采集系统,通过程序控制PCI8340数据采集卡和一维精密步进电机的协调工作来完成数据采样,并通过密集采样来减小随机噪声和光源强度的波动噪声,大大提高了系统实验操作的简便性和准确性。
经实验验证,以小于150fs波长为800nm的激光脉冲作为泵浦光,其倍频光作为信号光,我们获得了约200fs的时间分辨率。