CN107907980B - 一种干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种干涉仪。该干涉仪包括：基座；形成在基座上的光线传播部，包括第一光线传播路径和第二光线传播路径；形成在基座上的相位锁定模块，与第一光线传播路径中的第四反射镜相连接，用于调节第四反射镜的位置，以使第一子光束和第二子光束的相位差小于或等于0.06rad；第一光线传播路径和第二光线传播路径的光程差小于或等于6nm。与现有的干涉仪相比，本发明实施例提供的干涉仪，能够实现相位的主动锁定的目的，可以满足超快二维电子光谱实验的需要，可以提高实验结果的准确度。

Description

一种干涉仪

技术领域

本发明实施例涉及光学技术领域，尤其涉及一种干涉仪。

背景技术

随着超快激光技术的迅速发展，利用两束具有一定时间延迟的超短脉冲激光先后和样品作用的超快时间分辨泵浦-探测技术，更是可以获取样品被激发后在纳秒、皮秒乃至飞秒时间尺度内的瞬态动力学过程。而对于研究较为复杂且又极为普遍的各种凝聚相体系，近些年发展出来的功能更为强大的超快二维傅里叶变换电子光谱技术则更可以反映材料体系的电子动力学过程中的量子相干效应。

超快二维电子光谱实验探测的是样品先后经过三束具有一定可控时间延迟的脉冲激光A、B、C作用后产生的微弱的三阶非线性光学响应。在探测电子的动力学过程中，为了实现较宽的频谱探测范围和较快的时间分辨，同时考虑到电子能级之间跃迁的能量通常落在可见光范围，一般通过非共线光参量放大(NOPA)的技术在可见光范围产生宽光谱的超短激光脉冲作为实验光源。样品经过第一束激光脉冲A激发之后处于一个相干态，故A和B之间的时间延迟称为相干时间，其间包含相位的演化；而样品经过第二个脉冲B作用后处于一个布居态，故B和C之间的时间延迟称为布居时间，其间没有相位的演化；最后，样品经过第三个脉冲作用后又处于相干态，并发射出一个三阶非线性极化信号，通常使用一个相位与之锁定的本机振荡脉冲通过外差检测的方法探测该微弱信号的振幅和相位信息。因此，在二维光谱实验中，脉冲A和B，以及脉冲C和本机振荡脉冲之间需要实现相位的锁定。相位锁定是指两脉冲之间的时间延迟亦即光程差的精确度须控制在1/100个波长量级，而一般在实验室搭建的自由光路中，光程的起伏偏差较大，往往在数百纳米量级，不能满足超快二维电子光谱实验的需要，因此需要额外的方法和手段实现相位的锁定。

发明内容

本发明实施例提供的干涉仪，能够实现相位的主动锁定的目的，可以满足超快二维电子光谱实验的需要，可以提高实验结果的准确度。

本发明实施例提供一种干涉仪，包括：

基座；

形成在所述基座上的光线传播部，包括第一光线传播路径和第二光线传播路径；沿所述第一光线传播路径上，依次设置有第二反射镜、第三反射镜以及第四反射镜；沿所述第二光线传播路径上，依次设置有第一反射镜以及光学延迟线；所述光线传播部还包括第一分束镜和第二分束镜；所述第一分束镜设置于所述第一光线传播路径的起点处和第二光线传播路径的起点处，以使入射到干涉仪内部的光线分为第一子光束和第二子光束；所述第一子光束沿所述第一光线传播路径传播，所述第二子光束沿所述第二光线传播路径传播；所述第二分束镜设置于所述第一光线传播路径的终点处和第二光线传播路径的终点处，以将所述第一子光束和所述第二子光束合并；

形成在所述基座上的相位锁定模块，与所述第四反射镜相连接，用于调节所述第四反射镜的位置，以使所述第一子光束和所述第二子光束的相位差小于或等于0.06rad；

所述第一光线传播路径和所述第二光线传播路径的光程差小于或等于6nm。

其中，所述干涉仪还包括相位调节装置；所述相位调节装置包括补偿片、第一楔形镜和第二楔形镜；

所述补偿片位于所述第一光线传播路径上；

所述第一楔形镜和所述第二楔形镜位于所述第二光线传播路径上；

所述补偿片、所述第一楔形镜和所述第二楔形镜的材料相同；

所述第一子光束沿所述第一光线传播路径传播时透过所述补偿片方向的厚度等于所述第二子光束沿所述第二光线传播路径传播时透过所述第一楔形镜的厚度和所述第二楔形镜的厚度之和；

所述第一楔形镜和所述第二楔形镜的尺寸相同。

进一步的，所述干涉仪还包括：相位锁定模块；

所述相位锁定模块包括第一光阑，光电探测器、反馈电路、以及所述促动装置；

所述第一光阑设置于第二分束镜的第一侧，用于过滤脉冲激光；所述光电探测器设置于所述第一光阑背离与所述第二分束镜的第二侧；所述反馈电路一端与所述光电探测器相连，另一端与所述促动装置相连；所述促动装置与所述第四反射镜相连接。

进一步的，所述干涉仪还包括示波器，所述示波器与所述光电探测器相连，用于对所述光电探测器形成的电信号进行显示。

进一步的，所述干涉仪还包括第二光阑，位于所述第二分束镜的第二侧，用于过滤连续激光。

进一步的，所述干涉仪还包括第三分束镜、光谱诊断装置；

所述第三分束镜设置于所述第二光阑背离所述第二分束镜的第一侧；

所述光谱诊断装置与所述第三分束镜相对设置，用于获取经所述第三分束镜反射的所述脉冲激光的干涉图谱。

进一步的，所述干涉仪还包括脉冲激光器和连续激光器，以使由所述脉冲激光器形成的脉冲激光和由所述连续激光器形成的连续激光均能够入射到所述第一分束镜。

进一步的，所述干涉仪还包括：所述光学延迟线包括光线入口和光线出口；

在第一光线传播路径中，所述第一分束镜和所述第二反射镜沿第一方向依次排列，且所述第一分束镜和所述第二反射镜互相平行设置；所述第二反射镜和所述第三反射镜沿第二方向依次排列，且所述第二反射镜和所述第三反射镜互相垂直设置，所述第三反射镜和所述第四反射镜沿所述第一方向依次排列，且所述第三反射镜和所述第四反射镜互相平行设置；所述第四反射镜和所述第二分束镜沿所述第二方向依次排列，且所述第四反射镜和所述第二分束镜互相垂直设置；

在第二光线传播路径中，所述第一分束镜和所述第一反射镜沿所述第二方向依次排列，且所述第一分束镜和所述第一反射镜互相垂直设置；所述第一反射镜与所述光学延迟线的光线入口沿所述第一方向依次排列；所述光学延迟线的光线出口与所述第二分束镜沿第一方向依次排列；

其中，所述第一方向与所述第二方向垂直，且所述第一分束镜与所述第一方向呈45°。

进一步的，所述干涉仪还包括，所述第一分束镜与第二分束镜的反射与透射的分光比为50:50。

进一步的，所述干涉仪，所述第一分束镜和所述第二分束镜均包括半反射镀膜面；

所述第一分束镜半反射镀膜面和所述第二分束镜的半反射镀膜面位于互相背离的两侧。

本发明实施例提供的干涉仪，通过增设实验前的相位调节装置，确保在时间延迟零点处干涉仪输出的两脉冲的光程差几乎不存在，还实现了不同量子通道信号的分离，进一步的通过增设相位锁定模块，并设置相位锁定模块与所述第四反射镜相连接，用于调节所述第四反射镜的位置，以使所述第一子光束和所述第二子光束的相位差小于或等于0.06rad；所述第一光线传播路径和所述第二光线传播路径的光程差小于或等于6nm，解决了的现有的干涉仪光程的起伏偏差较大，不能满足超快二维电子光谱实验的需要的问题，达到了能够实现相位的主动锁定，可以满足超快二维电子光谱实验的需要，可以提高实验结果的准确度的目的。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种干涉仪的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的另一种干涉仪的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的又一种干涉仪的结构示意图。

图4是本发明实施例提供的又一种干涉仪的结构示意图。

图5是在扫描干涉仪中的光学延迟线时，诊断光谱仪记录获得的两束激光脉冲的光谱干涉随时间延迟演化的图谱。

图6是调节两束激光脉冲之间的相位差的结果的相关图像。

图7是本发明实施例提供的一种干涉仪处在相位不锁定的情况下的连续激光干涉信号随时间起伏变化图像。

图8是本发明实施例提供的一种干涉仪处在相位锁定的情况下的连续激光干涉信号随时间起伏变化图像。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是本发明实施例提供的一种干涉仪装置示意图。本发明实施例提供的一种干涉仪，包括：基座10；

形成在基座10上的光线传播部，包括第一光线传播路径b1和第二光线传播路径b2；沿第一光线传播路径b1上，依次设置有第二反射镜101、第三反射镜102以及第四反射镜103；沿第二光线传播路径b2上，依次设置有第一反射镜104以及光学延迟线105；光线传播部还包括第一分束镜106和第二分束镜107；第一分束镜106设置于第一光线传播路径b1的起点处和第二光线传播路径b2的起点处，以使入射到干涉仪内部的光线分为第一子光束和第二子光束；第一子光束沿第一光线传播路径b1传播，第二子光束沿第二光线传播路径传播；第二分束镜107设置于第一光线传播路径b1的终点处和第二光线传播路径b2的终点处，以将第一子光束和第二子光束合并；

形成在基座10上的相位锁定模块108，与第四反射镜103相连接，用于调节第四反射镜103的位置，以使第一子光束和第二子光速的相位差小于或等于0.06rad；

第一光线传播路径b1和第二光线传播路径b2的光程差小于或等于6nm。

本发明实施例提供的干涉仪，通过增设相位锁定模块，并设置相位锁定模块与所述第四反射镜相连接，用于调节所述第四反射镜的位置，以使所述第一子光束和所述第二子光束的相位差小于或等于0.06rad；所述第一光线传播路径和所述第二光线传播路径的光程差小于或等于6nm，实质是上是，利用相位锁定模块对第四反射镜位置的调整来实现对第一光线传播路径相对于第二光线传播路径的调整，进而实现相位的主动锁定的功能，解决了现有的干涉仪光程的起伏偏差较大，不能满足超快二维电子光谱实验的需要的问题，达到了能够实现相位的主动锁定，可以满足超快二维电子光谱实验的需要，可以提高实验结果的准确度的目的。

需要说明的是，本发明实施例提供的基座10，是用来承载实现相位锁定以及相位调节的各光学部件(示例性的，如分束镜以及反射镜等)。传统的方法是将光学元件通过接杆和底座分别固定在光学平台上，而本实施例是将光学元件直接安装在基座10上，避免光学元件安装架的机械振动引起干涉仪的第一光线传播路径b1与第二光线传播路径b2径光程差变化较大，有助于提高相位锁定的质量和稳定性。

还需要说明的是，在基座10上形成包括第一光线传播路径b1和第二光线传播路径b2的光学传播部。其中，第一分束镜106具有反射和透射的作用且设置在第一光线传播路径b1和第二光线传播路径b2的起点处。当光线入射时，经过第一分束镜106的将其分为两部分，一部分是透过第一分束镜106的第一子光束，另一部分是经第一分束镜106的反射作用产生的第二子光束。同时，为了避免引入过多色散，第一分束镜106的基片不易太厚，可选的，为1-3mm；可选地，分光比为50：50。为了进一步保证入射光经过第一分束镜106的半反射镀膜面1061，因此半反射镀膜面1061与入射光正对设置。

在上述技术方案中，第一光线传播路径b1和第二光线传播路径b2中，各光学元件的布设方案有多种，下面就典型示例进行详细说明，但不构成对本申请的限制。

可选的，第一光线传播路径b1中，第二反射镜101、第三反射镜102以及第四反射镜103，它们的尺寸、材质均相同。可选的，参见图1，第一分束镜106和第二反射镜101沿第一方向20依次排列，且第一分束镜106和第二反射镜101互相平行设置；第二反射镜101和第三反射102镜沿第二方向30依次排列，且第二反射镜101和第三反射镜102互相垂直设置，第三反射镜102和第四反射103镜沿第一方向20依次排列，且第三反射镜102和第四反射镜103互相平行设置；第四反射镜103和第二分束镜107沿第二方向30依次排列，且第四反射镜103和第二分束镜107互相垂直设置；光学延迟线105包括光线入口和光线出口；在第二光线传播路径b2中，第一分束镜106和第一反射镜104沿第二方向30依次排列，且第一分束镜106和第一反射镜104互相垂直设置；第一反射镜104与光学延迟线105的光线入口沿第一方向20依次排列；光学延迟线105的光线出口与第二分束镜107沿第一方向20依次排列；其中，第一方向20与第二方向30垂直，且第一分束镜106与第一方向20呈45°。

进一步地，继续参见图1，第二光线传播路径b2中，该光学延迟线105还包括在对应的光线入口和光线出口处设置的反射镜a1和反射镜a2，a1和a2固定在光学延迟线105上的一个沿第一方向20具有一定行程的可移动平台上，且这两个反射镜(反射镜a1和反射镜a2)在第二方向30上互相垂直设置。反射镜a1与第一反射镜104沿第一方向20互相平行设置，反射镜a2与第二分束镜107沿第一方向20互相平行设置。第三反射镜102和第四反射镜103之间的光学传播距离一定要与当光学延迟线的可移动平台处在其行程中央时第一反射镜104和反射镜a1之间的光学传播距离几乎相等，这是因为第三反射镜102与第四反射镜103主要是用于抵消由于光学延迟线105引起的光程差的，只有当两者之间的距离几乎相同时，才能够确保在光学延迟线的形成之内能够使得第一光线传播路径b1与第二光线传播路径b2的光程相同。

上述的每个反射镜都要满足45°入射，以达到干涉仪中的所有光路横平竖直。

可选的，第一分束镜106和第二分束镜107均包括半反射镀膜面；第一分束镜106半反射镀膜面1061和第二分束镜107的半反射镀膜面1071位于互相背离的两侧。即图1中，第一分束镜106的表面1061为半反射镀膜面，第二分束镜107的表面1071为半反射镀膜面。

这种设置方式可以保证第一子光束和第二子光束经过相同的介质，即都是经分束镜反射一次和透射一次，进一步确保第一光线传播路径b1和第二光线传播路径b2的光程相同。可选地，第二分束镜107与第一分束镜106的材质以及尺寸相同。

图2是本发明实施例提供的另一种干涉仪的结构示意图。参见图2，该干涉仪还包括补偿片109、第一楔形镜110和第二楔形镜111；补偿片109位于第一光线传播路径b1上；第一楔形镜110和第二楔形镜111位于第二光线传播路径b2上；补偿片109、第一楔形镜110和第二楔形镜111的材料相同；第一子光束沿第一光线传播路径b1传播时透过补偿片109方向的厚度等于第二子光束沿第二光线传播路径b2传播时透过第一楔形镜110的厚度和第二楔形镜111的厚度之和，第一楔形镜110和第二楔形镜111的尺寸相同。

在干涉仪中增设补偿片109、第一楔形镜110和第二楔形镜111的作用是进行相位调节。其中，补偿片109在确保与第一子光束传播方向垂直的条件下设置在第一光线传播路径b1中的任意位置；同时第一楔形镜110和第二楔形镜111也是在保证与第二子光束传播方向垂直的条件下，处在第二传播路径b2中的任意位置，这里所说的垂直是第二子光束从第一楔形镜110的直角边一面垂直入射，从第二楔形镜111的直角边一面垂直出射。可选地，补偿片109、第一楔形镜110与第二楔形镜111的材质相同均为石英。可选地，石英补偿片109的尺寸为25mm*25mm*2.87mm，固定在干涉仪的基座10上；第一楔形镜110与第二楔形镜111的尺寸相同，均为50mm*25mm，薄边的厚度为1.87mm，厚边厚度2.87mm，且楔角不宜过大约为1～2°。进一步的，为了调节相位，将第一楔形镜110固定在一个精密平移台上，第二楔形镜111固定在干涉仪上，设置在平移台上的第一楔形镜110可以调节在第二光线传播路径b2中的插入量。此相位调节是在实验前进行的，其中通过调节设置在平移台上的第一楔形镜110达到控制在第二光线传播路径b2的中的插入量，最终使第二光线传播路径b2与第一光线传播路径b1的光程相同。因此相位调节装置的存在进一步确保在时间延迟零点处两子光束的光程差几乎不存在。

图3是本发明实施例提供的又一种干涉仪的结构示意图。干涉仪中的相位锁定模块108包括第一光阑112，光电探测器113、反馈电路114、以及促动装置115；第一光阑112设置于第二分束镜107的第一侧，用于过滤脉冲激光；光电探测器113设置于第一光阑112背离与第二分束镜107的一侧；反馈电路114一端与光电探测器113相连，另一端与促动装置115相连；促动装置115与第四反射镜相103连接。

需要说明的是，在二维光谱实验中，由于其它因素能够引起第一光线传播路径b1和第二光线传播路径b2之间产生相位差以及光程差。此时相位锁定是提高实验结果准确性的重要组成部分，其中，第二分束镜的第二侧为半反射镀膜面，与其相对的一侧为第一侧。第一光阑112与第二分束镜107的第一侧相对设置，主要过滤脉冲激光器发出的光束，通过连续激光器发出的光束。光电探测器113与第一光阑112相对设置，主要是探测通过第一光阑112的连续激光束。光电探测器113会根据探测到的连续光的干涉信号作为两脉冲激光的相位差的误差信号输入给反馈电路114。反馈电路114与促动装置115相连。因此，反馈电路114接收到光电探测器113探测的误差信号，相应产生反馈信号，此信号能够控制促动装置115，促动装置115根据反馈信号带动第四反射镜103的微小平移，实现相位锁定。可选地，该促动装置115为压电陶瓷促动片。

进一步的，继续参见图3，该干涉仪还包括示波器116，示波器116与光电探测器113相连，用于对光电探测器113形成的电信号进行显示。这样设置能够实时监测相位锁定的质量是否达到所需的精度标准。

进一步的，干涉仪还包括第二光阑117，第二光阑117位于第二分束镜107的第二侧，用于过滤连续激光。脉冲激光束是二维光谱实验所必须的，并且此方向输出的两束共线脉冲光束之间没有因半波损失而引入额外的π相位差，测量结果的准确性会比较高。通过设置第二光阑117，有效过滤连续激光，为二维光谱实验提供所需的脉冲激光束。

图4是本发明实施例提供的又一种干涉仪的结构示意图。干涉仪还包括第三分束镜118、光谱诊断装置119；第三分束镜118设置于第二光阑117背离第二分束镜107的一侧；光谱诊断装置119与第三分束镜118的相对设置，用于获取经所述第三分束镜118反射的脉冲激光的干涉图谱。

可选地，第三分束镜118、第一分束镜106和第二分束镜107的材质均相同，由于通常采用透射光用于进行二维光谱实验，可选地，第三分束镜118反射与透射的分光比为10:90。当脉冲激光通过第二光阑117后要经第三分束镜118的分光作用，百分之九十的脉冲激光用于二维光谱测试，百分之十的脉冲激光被光谱诊断装置119所探测，并且该装置能够控制延迟线以等光程点为中心扫描一段距离，同时用光谱诊断仪记录下每扫描一个点对应的干涉光谱，可以获得一个具有光谱分辨随时间延迟演化的干涉图谱，通过对该干涉图谱的分析可以实时监测两共线脉冲光之间的相位是否保持在实验前调节好的状态。

进一步的，继续参见图4，该干涉仪中的激光器还包括脉冲激光器120和连续激光器121，以使由脉冲激光器120形成的脉冲激光和由连续激光器121形成的连续激光均能够入射到第一分束镜106。

需要说明的是，在本实施例中需要两激光束来完成，一束光是用于实现相位调节以及相位锁定测试，另一束光是用于二维光谱实验。因此采用的分别是脉冲激光器120和连续激光器121。可选地，脉冲激光器120与第一分束镜106对应设置，主要用于二维光谱实验，；连续激光器121起到“光程标尺”的作用，主要是在实验过程中当检测到连续激光有偏离连续激光波长整数倍的光程差和相位差出现时通过反馈电路实现相位锁定的作用。在实验的过程中脉冲激光器120和连续激光器121是同时射入干涉仪(分束镜106)的，这样就可以保证脉冲激光用于二维光谱实验，连续激光起到光程标尺的作用。其中，连续激光器121须是单纵模(即单波长)输出连续激光，输出的波长比脉冲激光光谱覆盖的最短波长稍短，脉冲激光的覆盖在可见光波段，光谱宽度至少要大于100nm；脉冲激光的脉宽要足够窄，至少要小于10fs。示例性的，此处脉冲激光的光谱覆盖范围约为500-700nm，选用的连续激光器输出的波长为472.9nm。将单纵模连续激光器输出的连续激光束分别通过反射镜122和反射镜123平行于脉冲激光束引入干涉仪，使连续激光束处在脉冲激光束的正下方约10mm。上述是对脉冲激光和连续激光光谱等要求，具体实施方式是：

由连续激光器121输出的一束单纵模的连续激光和脉冲激光器120输出的脉冲激光平行地被引入到干涉仪中，连续激光束与脉冲光束在干涉仪中经过的光程完全相同，但是两光束在竖直方向上有一微小的偏移从而便于在干涉仪的输出中分离两种光束。第二光阑117的输出的是用于二维光谱实验的脉冲激光束，第一光阑112输出的是连续激光光束经过干涉仪之后的干涉信号。当第一光束与第二光束的光程差由于光学元件的机械振动等原因产生一定的起伏时，就会造成两相干光束之间的相位差的变化，最终导致输出的连续激光的干涉光强的起伏变化。因此，将连续激光经过干涉仪输出的干涉信号输入给反馈电路114，再由反馈电路114输出的反馈信号控制干涉仪中固定在促动装置115上的第四反射镜103的微小平移，使得误差信号被及时控制在一个很小的可以被认为是满足相位锁定要求范围内。由于脉冲光束和连续光束在干涉仪中经过完全相同的光程，因此实现了干涉仪输出的两个具有一定时间延迟的脉冲激光束之间的相位差的锁定。将误差信号输给反馈电路114的同时输入给示波器116，就可以实时地反映和监测相位锁定的情况。

在上述装置的基础上，实现相位调节和相位锁定的具体原理如下：

将脉冲激光器输入到干涉仪中产生的两个脉冲记为A和B，它们之间的相位差，可以表示为：

式中Δl表示光束经过的非色散介质(此处即空气)的长度差，ΔL则表示光束经过色散介质(此处为第一分束镜、第二分束镜、石英补偿片、第一楔形镜以及第二楔形镜)的长度差，n(ω)表示石英的折射率。光程差是Δl+n(ω)ΔL。其中的ΔL是实验前的准备和与调节部分，也就是楔形镜片的插入量调节。由于在第一光线传播路径和第二光线传播路径中分别插入了一个石英补偿片和两个石英楔形镜，所以调节其中第二传播路径中的固定在位移台上的第一楔形镜片的插入量可以使得第一传播路径和第二传播路径经过石英色散介质的量完全相同，即ΔL＝0，就完成了实验前的准备和调节，之后实验运行中都是保持这一状态的，即不再改变楔形镜片的插入量的调节了，实验运行中的相位锁定也都是在这种状态下进行的。因此干涉仪中的相位调节装置是在实验开始前，预先调节的。

示例性的，两脉冲之间的相位差的调节，干涉仪无需处于相位锁定状态，反馈电路和连续激光器也就无需启用。由于石英的折射率是ω的函数，从泰勒展开的角度考虑，是ω的高阶项，所以此项的存在会导致测得的二维电子光谱信号不是一个纯吸收的信号。因此，此处所指的调节位相差的侧重点在于调节(1)式中的第二项，通过精密地改变楔形镜的插入量使得ΔL＝0，从而保证两脉冲的相位差纯粹只是一个时间延迟量，即只含ω的一次项。更进一步的，如果将干涉仪输出的两脉冲的相位差调节成如下形式：

其中常数项那么将会给测得的二维光谱信号带来的相位偏移，与正常测得的没有相位偏移的纯吸收的二维光谱信号按照一定的方法线性组合可以实现光子回波和反光子回波信号的分离，进一步弥补了这种部分共线构型二维光谱装置无法分离由单个量子通道产生的信号的这一不足之处。而这一目的可以通过精细微调楔形镜的插入量将ΔL设为某一微小的非零值来实现，其原理简介如下：

假设宽光谱脉冲激光中心波长为ω₀，将石英的折射率n(ω)在ω₀处作泰勒展开：

只取前两项代入到(1)式变为：

其中第一项为ω一次项，为A和B两脉冲的净时间延迟，可以通过扫描延迟线改变Δl来调节。当ΔL为一个很小的值时，第二项和第三项均可视为小量，对其大小作一评估比较。实验中通常所使用的宽光谱可见脉冲的光谱覆盖范围为500-700nm，中心波长约600nm，那么有因此第二项的作用相对于第三项可以忽略，而第三项为常数项，只需调节ΔL的值使得即调节安装在平移台上的楔形镜在光路中的插入量以控制ΔL的值。而且在已知调节的相位差石英的折射率曲线数据n(ω)和超短激光脉冲的中心波长ω₀的情况下，具体的ΔL是可以定量求出的。示例性地，将相位差分别调节至0，0.6，1.2，时，对应的楔形镜插入量控制的ΔL值分别为0，3.4μm，6.8μm，8.9μm。调节第一楔形镜的插入量后，按以下操作检验相位调节的结果是否可靠，控制延迟线以等光程点为中心，从左至右(也可从右至左)以0.1fs为步长扫描100fs，同时光谱诊断仪读取记录该扫描过程中每个点对应的干涉光谱。图5是在扫描干涉仪中的光学延迟线时，诊断光谱仪记录获得的两束激光脉冲的光谱干涉随时间延迟演化的图谱。整个扫描过程的时间延迟轴应为-50～50fs，此处为了较清楚地展示各波长的干涉周期，图5中，仅截取了-6～6fs部分进行说明。图5中，横轴为时间T，单位为飞秒(fs)，纵轴为激光脉冲的波长W，单位为电子伏(eV)。参见图5不妨选取干涉图谱中虚线所标的零时间延迟点作为起点，将各个波长的干涉强度信号从该起点开始随时间延迟演化的曲线作正弦拟合获得各个波长处的相位就是该时间延迟点处两脉冲的相位差再以ω的一次函数拟合该结果的截距为斜率为τ，应与期初设定的相位差的值相近，再对实验结果进一步处理求得的数据即为测得的对应各个波长的实际相位差在附近周围的分布，图6是调节两束激光脉冲之间的相位差的结果的相关图像。图6中，横轴为激光脉冲的波长W，单位为电子伏(eV)，纵轴为第一子光束和所述第二子光束的相位差P，单位为rad。参见图6，分别表示将相位差调节至0，0.6，1.2，时各自对应的这种分布，实线为的实验结果数据，虚线为利用(4)式求出的的理论计算结果，同时给出了各个分布的标准差σ均在0.02左右，其中σ代表标准差，具体为A、B两脉冲相位差的实验值(图中各实线)在相应的理论计算值(图中各虚线)附近分布的离散程度。σ越大，离散程度越大，相位调节的效果越差；反之，σ越小，离散程度小，相位调节的效果越好。显然此处的标准差较小，表示这种相位调节是可靠的。

在相位调节完成的条件下，还需要实现相位锁定。各光路中的光程是通过反射镜反射引导形成的，所以当反射镜存在上百纳米的机械振动时。这一量级的机械振动，只是我们凭肉眼或触觉是感觉不出来，对于一般的光路系统这种振动也都是可以忽略的，但是在这个二维电子光谱装置中却需要锁相方法进一步克服这种晃动。就是将连续激光的干涉信号(干涉信号强弱的变化就反映了光程差的晃动)输入给反馈电路，然后反馈电路给出反馈信号控制压电陶瓷促动片的伸缩使得第四反射镜产生相应的微小振动位移，抵消其他光学元件的自然机械振动所引起的光程差的变化。因此根据相位调节的原理可知，相位锁定是针对(1)中的第一项。

根据实验前的相位调节使得ΔL＝0，可以将A和B的相位差公式：

简化为：与简化后的相位差相对应的光程差也简化为Δl，相应的时间延迟为因此实验过程中相位的锁定实际上就是光程差的锁定以及时间延迟的锁定。其中起决定性作用的量就是由光学延迟线，它能够控制调节光程差Δl。然而，实验运行过程中相位锁定的，并不是说在实验过程中要使得光程差始终保持某一个值不变，而是这个光程差Δl(或者说时间延迟在实验过程中是需要通过光学延迟线不断地改变的，而相位锁定的作用是使得这个光程差能够非常精确地改变到我们所希望的位置。示例性的，在实验中我们希望通过调节光学延迟使得光程差能够依次处在0，300，600,900nm…这么一系列状态时采集相应的光谱数据，那么由于上百纳米量级的光学元件的机械振动，在没有锁相的情况下，我们获得的光程差的状态可能就是0±100，300±100,600±100,900±100nm…，后面的±100表示第一光线传播路径和第二光线传播路径中光程差量级在100nm，而在加入锁相的情况下，获得的光程差的状态可能就是0±5，300±5,600±5,900±5nm…，表示加入锁相之后光程差的移动精度可以控制在5nm以内。相位未锁定的条件下连续激光的干涉信号强度I(单位为伏特)随时间T(单位为秒)的变化关系可参见图7。相位锁定的条件下连续激光的干涉信号强度I(单位为伏特)随时间T(单位为秒)的变化关系可参见图8。在相位锁定的条件下精度可以达到1/300个波长量级，足以满足二维光谱实验要求。

本发明实施例提供的干涉仪，通过增设实验前的相位调节装置，确保在时间延迟零点处干涉仪输出的两脉冲的光程差几乎不存在，还实现了不同量子通道信号的分离，进一步的通过增设相位锁定模块，并设置相位锁定模块与所述第四反射镜相连接，用于调节所述第四反射镜的位置，以使所述第一子光束和所述第二子光束的相位差小于或等于0.06rad；所述第一光线传播路径和所述第二光线传播路径的光程差小于或等于6nm，解决了的现有的干涉仪光程的起伏偏差较大，不能满足超快二维电子光谱实验的需要的问题，达到了能够实现相位的主动锁定，可以满足超快二维电子光谱实验的需要，可以提高实验结果的准确度的目的。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种干涉仪，其特征在于，包括：

基座；

形成在所述基座上的光线传播部，包括第一光线传播路径和第二光线传播路径；沿所述第一光线传播路径上，依次设置有第二反射镜、第三反射镜以及第四反射镜；沿所述第二光线传播路径上，依次设置有第一反射镜以及光学延迟线；所述光线传播部还包括第一分束镜和第二分束镜；所述第一分束镜设置于所述第一光线传播路径的起点处和所述第二光线传播路径的起点处，以使入射到干涉仪内部的光线分为第一子光束和第二子光束；所述第一子光束沿所述第一光线传播路径传播，所述第二子光束沿所述第二光线传播路径传播；所述第二分束镜设置于所述第一光线传播路径的终点处和所述第二光线传播路径的终点处，以将所述第一子光束和所述第二子光束合并；

形成在所述基座上的相位锁定模块，与所述第四反射镜相连接，用于调节所述第四反射镜的位置，以使所述第一子光束和所述第二子光束的相位差小于或等于0.06rad；

所述第一光线传播路径和所述第二光线传播路径的光程差小于或等于6nm。

2.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于，还包括相位调节装置；

所述相位调节装置包括：补偿片、第一楔形镜和第二楔形镜；

所述补偿片位于所述第一光线传播路径上；

所述第一楔形镜和所述第二楔形镜位于所述第二光线传播路径上；

所述补偿片、所述第一楔形镜和所述第二楔形镜的材料相同；

所述第一子光束沿所述第一光线传播路径传播时透过所述补偿片方向的厚度等于所述第二子光束沿所述第二光线传播路径传播时透过所述第一楔形镜的厚度和所述第二楔形镜的厚度之和；

所述第一楔形镜和所述第二楔形镜的尺寸相同。

3.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于，

所述相位锁定模块包括第一光阑，光电探测器、反馈电路以及促动装置；

所述第一光阑设置于所述第二分束镜的第一侧，用于过滤脉冲激光；

所述光电探测器设置于所述第一光阑背离与所述第二分束镜的第二侧；

所述反馈电路一端与所述光电探测器相连，另一端与所述促动装置相连；

所述促动装置与所述第四反射镜相连接。

4.根据权利要求3所述的干涉仪，其特征在于，还包括示波器，

所述示波器与所述光电探测器相连，用于对所述光电探测器形成的电信号进行显示。

5.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于，还包括第二光阑，位于所述第二分束镜的第二侧，用于过滤连续激光。

6.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于，还包括第三分束镜、光谱诊断装置；

所述第三分束镜设置于所述第二光阑背离所述第二分束镜的第一侧；

所述光谱诊断装置与所述第三分束镜相对设置，用于获取经所述第三分束镜反射的脉冲激光的干涉图谱。

7.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于，还包括脉冲激光器和连续激光器，以使由所述脉冲激光器形成的脉冲激光和由所述连续激光器形成的连续激光均能够入射到所述第一分束镜。

8.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于，

所述光学延迟线包括光线入口和光线出口；

在第一光线传播路径中，所述第一分束镜和所述第二反射镜沿第一方向依次排列，且所述第一分束镜和所述第二反射镜互相平行设置；所述第二反射镜和所述第三反射镜沿第二方向依次排列，且所述第二反射镜和所述第三反射镜互相垂直设置，所述第三反射镜和所述第四反射镜沿所述第一方向依次排列，且所述第三反射镜和所述第四反射镜互相平行设置；所述第四反射镜和所述第二分束镜沿所述第二方向依次排列，且所述第四反射镜和所述第二分束镜互相垂直设置；

在第二光线传播路径中，所述第一分束镜和所述第一反射镜沿所述第二方向依次排列，且所述第一分束镜和所述第一反射镜互相垂直设置；所述第一反射镜与所述光学延迟线的光线入口沿所述第一方向依次排列；所述光学延迟线的光线出口与所述第二分束镜沿第一方向依次排列；

其中，所述第一方向与所述第二方向垂直，且所述第一分束镜与所述第一方向呈45°。

9.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于，

所述第一分束镜与第二分束镜的反射与透射的分光比为50:50。

10.根据权利要求3所述的干涉仪，其特征在于，

所述第一分束镜和所述第二分束镜均包括半反射镀膜面；

所述第一分束镜半反射镀膜面和所述第二分束镜的半反射镀膜面位于互相背离的两侧。