雙延遲位移平臺飛秒雷射瞬態熱反射系統的製作方法

2023-09-24 02:37:05

專利名稱：雙延遲位移平臺飛秒雷射瞬態熱反射系統的製作方法
技術領域：
本發明基於泵浦探測瞬態熱反射技術，按技術領域分類屬於雷射技術領域。
背景技術：
隨著雷射鎖模技術的發展，飛秒雷射泵浦探測技術被廣泛應用於微納米尺度材料熱物性的測量。在這種技術中，泵浦光和探測光到達樣品典型延遲時間範圍為Ons 4ns，這個時間延遲範圍使得對於較厚金屬材料、較小熱擴散率和較小界面熱導材料的熱物性難以測量。當兩者延遲時間超過4ns時，由於延遲位移平臺機械精度的限制以及光束的發散，很難保障探測光束校準和準直，從而降低測量數據的可信度。為了解決這個問題，Capinski等採用單模光纖方法降低了光束的校準和準直難度，但是對於長延遲時間仍舊沒有得到很好解決。Taketoshi等採用電調製的方法避免了機械延遲位移平臺帶來的缺陷，但是這種方法需要兩臺雷射器，價格昂貴。其它一些改進方法要麼是應用範圍有限，要麼是調整過程複雜，使用不便。為了降低探測光束校準和準直難度，本發明採用了雙延遲位移平臺，其主要特點是:在原有光路的基礎上，在泵浦光路上同時添加一個延遲位移平臺，這樣系統的延遲時間可以增加一倍，而光路調整難度卻不變，同時具有檢測數據功能。

發明內容
技術問題:本發明目的是在不增加光路調整難度前提下，提供一種雙延遲位移平臺飛秒雷射瞬態熱反射系統，在泵浦光路增加一個延遲位移平臺達到增大延遲時間的目的，從而提聞測量精度。技術方案:所採用的技術方案是:本發明提供了一種雙延遲位移平臺飛秒雷射瞬態熱反射系統，該系統包括雷射器，用於輸出光束；分束器，用於將雷射器輸出光束分成兩束，一束為泵浦光，用以加熱樣品，另外一束是探測光，用以探測樣品表面溫度變化；在泵浦光路:起偏器，用於將雷射器輸出的水平線性偏振光轉變為垂直線性偏振光；泵浦光第一凸透鏡，用於聚焦經起偏器輸出的垂直線性偏振光，並進入聲光調製器；聲光調製器，用於調製泵浦光，此時，泵浦光加載調製頻率；可調光闌，用於將聲光調製器輸出+1級光束通過而阻擋其它分級光束；泵浦光第一擴束準直透鏡，用於調節聲光調製器輸出雷射光束，使其變為放大準直光束；泵浦光第一反射鏡，用於將通過泵浦光第一擴束準直透鏡處理的準直光束進行反射偏轉，並投射到泵浦光延遲位移平臺上的泵浦光第三反射鏡；
泵浦光直角稜鏡，從泵浦光第三反射鏡出來的光束，經過泵浦光直角稜鏡反轉後進入泵浦光第四反射鏡；泵浦光第四反射鏡，泵浦光進入泵浦光第四反射鏡再次反轉進入泵浦光第二反射鏡;泵浦光第二反射鏡，用於反射偏轉泵浦光，並投射到泵浦光第二擴束準直透鏡，此時，泵浦光束再次被準直放大並投射到泵浦光第五反射鏡；泵浦光第五反射鏡，用於反射偏轉泵浦光，並投射到泵浦光第二凸透鏡；泵浦光第二凸透鏡，投射到泵浦光第二凸透鏡光束聚焦到樣品表面，完成樣品加熱功能；在探測光路:探測光第一擴束準直透鏡，從分束器輸出的雷射光束，經過探測光第一擴束準直透鏡變成放大準直光束並投射到探測光第二反射鏡；探測光第二反射鏡，用於反射偏轉探測光，並投射到探測光延遲位移平臺上探測光第四反射鏡；探測光直角稜鏡，從探測光第四反射鏡出來的探測光束進入探測光直角稜鏡反轉後回射到探測光第三反射鏡；探測光第一反射鏡，從探測光第三反射鏡出來的探測光束投射到探測光第一反射鏡反射偏轉後進入探測光第二擴束準直透鏡，完成探測光再次準直放大；探測光第一凸透鏡，接收探測光第二擴束準直透鏡出來的光束並聚焦到樣品表面泵浦光加熱中心。優選的，泵浦光擴束準直由泵浦光第一擴束準直透鏡調節。優選的，探測光擴束準直由探測光第一擴束準直透鏡調節。有益效果:本發明採用上述技術方案後有益效果是:1、本發明在不增加光路調整難度的前提下增大了延遲時間，提高了測量精度。不僅可以用於短延遲時間測量，也可以用於較長延遲時間測量。2、可以檢測較短延遲時間測量數據準確性。如果在4ns處，兩次測量數據能夠很好銜接，說明前4ns測量數據是正確的。


圖1為本發明實施例中結構示意中:1、鈦藍寶石脈衝飛秒雷射器，2、分束器，3、待測樣品，4、起偏器，5、泵浦光第一凸透鏡，6、聲光調製器,7、可調光闌,8、泵浦光第一擴束準直透鏡,9、泵浦光第一反射鏡，10、泵浦光第二反射鏡，11、泵浦光直角稜鏡，12、泵浦光第二擴束準直透鏡，13、泵浦光延遲位移平臺，14、泵浦光第三反射鏡，15、泵浦光第四反射鏡，16、泵浦光第五反射鏡，17、泵浦光第二凸透鏡，18、光電探測器，19、檢偏器，20、探測光縮束透鏡，21、探測光第二擴束透鏡，22、探測光第一反射鏡,23、探測光第一凸透鏡,24、光擋板,25、探測光第二反射鏡,26、探測光直角稜鏡，27、探測光第一擴束準直透鏡，28、探測光第三反射鏡，29、探測光第四反射鏡，30、探測光延遲位移平臺。
具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發明做進一步說明。本發明提供的一種雙延遲位移平臺飛秒雷射瞬態熱反射系統，該系統包括雷射器I，用於輸出光束；分束器2,用於將雷射器I輸出光束分成兩束,一束為泵浦光,用以加熱樣品，另外一束是探測光，用以探測樣品表面溫度變化；在泵浦光路:起偏器4，用於將雷射器I輸出的水平線性偏振光轉變為垂直線性偏振光；泵浦光第一凸透鏡5，用於聚焦經起偏器4輸出的垂直線性偏振光，並進入聲光調製器6 ；聲光調製器6，用於調製泵浦光，此時，泵浦光加載調製頻率；可調光闌7，用於將聲光調製器6輸出+1級光束通過而阻擋其它分級光束；泵浦光第一擴束準直透鏡8,用於調節聲光調製器6輸出雷射光束,使其變為放大準直光束；泵浦光第一反射鏡9，用於將通過泵浦光第一擴束準直透鏡8處理的準直光束進行反射偏轉，並投射到泵浦光延遲位移平臺13上的泵浦光第三反射鏡14 ；泵浦光直角稜鏡11，從泵浦光第三反射鏡14出來的光束，經過泵浦光直角稜鏡11反轉後進入泵浦光第四反射鏡15 ；泵浦光第四反射鏡15，泵浦光進入泵浦光第四反射鏡15再次反轉進入泵浦光第二反射鏡10 ；泵浦光第二反射鏡10，用於反射偏轉泵浦光，並投射到泵浦光第二擴束準直透鏡12，此時，泵浦光束再次被準直放大並投射到泵浦光第五反射鏡16 ；泵浦光第五反射鏡16，用於反射偏轉泵浦光，並投射到泵浦光第二凸透鏡17 ；泵浦光第二凸透鏡17，投射到泵浦光第二凸透鏡17光束聚焦到樣品表面，完成樣品加熱功能；在探測光路:探測光第一擴束準直透鏡27，從分束器2輸出的雷射光束，經過探測光第一擴束準直透鏡27變成放大準直光束並投射到探測光第二反射鏡25 ；探測光第二反射鏡25，用於反射偏轉探測光，並投射到探測光延遲位移平臺30上探測光第四反射鏡29;探測光直角稜鏡26，從探測光第四反射鏡29出來的探測光束進入探測光直角稜鏡26反轉後回射到探測光第三反射鏡28 ；探測光第一反射鏡22，從探測光第三反射鏡28出來的探測光束投射到探測光第一反射鏡22反射偏轉後進入探測光第二擴束準直透鏡21，完成探測光再次準直放大；探測光第一凸透鏡23，接收探測光第二擴束準直透鏡21出來的光束並聚焦到樣品表面泵浦光加熱中心。泵浦光擴束準直由泵浦光第一擴束準直透鏡8調節。探測光擴束準直由探測光第一擴束準直透鏡27調節。主要思路是首先固定泵浦光延遲位移平臺13在零點位置，移動探測延遲位移平臺30，可以測量Ons 4ns數據，然後將泵浦光延遲位移平臺13移動到4ns處，再次移動探測延遲位移平臺30，可以測量4ns 8ns數據。如果在4ns處，兩段數據能夠很好銜接，說明整個光路調整比較完美。這個技術方案主要部件及其作用如下:分束器2用於將鈦藍寶石脈衝飛秒雷射器I輸出光束分成兩束；起偏器4將將鈦藍寶石脈衝飛秒雷射器I輸出的水平線性偏振光轉變為垂直線性偏振光；泵浦光第一凸透鏡5用於聚焦泵浦光束並進入聲光調製器6 ；聲光調製器6用於調製泵浦光；可調光闌7可以讓聲光調製器6輸出的+1級光束通過而阻擋其它分級光束；泵浦光第一擴束準直透鏡8用於調節聲光調製器6輸出雷射光束，使其變為準直(平行)光束；泵浦光第一反射鏡9用於反射偏轉泵浦光，並投射到泵浦光延遲位移平臺13上泵浦光第三反射鏡14 ；泵浦光直角稜鏡11用於反轉泵浦光並回射到泵浦光第四反射鏡15 ；泵浦光第二反射鏡10用於反射偏轉泵浦光，並投射到泵浦光第二擴束準直透鏡12 ；泵浦光第五反射鏡16用於反射偏轉泵浦光，並投射到泵浦光第二凸透鏡17 ；探測光第一擴束準直透鏡27用於調節分束器2輸出雷射光束，使其變為準直(平行)光束；探測光第二反射鏡25用於反射偏轉探測光，並投射到探測光延遲位移平臺30上探測光第四反射鏡29;探測光直角稜鏡26用於反轉探測光並回射到探測光第三反射鏡28 ；探測光第一反射鏡22用於反射偏轉探測光，並投射到探測光第二擴束準直透鏡21 ；探測光第一凸透鏡23接收並聚焦探測光到樣品表面。在原理和配置上，本發明與最接近技術的共有特徵是:飛秒雷射輸出光束被分束器2分成兩束光，一束是泵浦光，用來加熱樣品的表面；另外一束是探測光，用來探測樣品表面溫度的變化。泵浦光被聲光調製器6或者電光調製器調製。測量過程中，泵浦光程固定，而探測光程隨著延遲位移平臺移動相對泵浦光程有變化。在原理和配置上，本發明與最接近技術不同特徵是:泵浦光程可以變化，測量過程可以有三種方案，一、首先固定泵浦光程在零點位置，用探測光測量Ons 4ns數據，然後泵浦光程移動到4ns處，再用探測光測量4ns 8ns數據。二、首先固定探測光程，用泵浦光測量Ons 4ns數據，然後探測光程移動到4ns處，再用泵浦光測量4ns 8ns數據。三、固定泵浦光在零點位置，用探測光測量Ons 4ns數據，探測光程保持在4ns處，再用泵浦光測量4ns 8ns數據。鈦一藍寶石脈衝飛秒雷射器I輸出的脈衝雷射經過分束器2後分成兩束，一束為泵浦光，用以加熱樣品，另外一束是探測光，用以探測樣品表面溫度變化。鈦一藍寶石脈衝飛秒雷射器I輸出的光束是水平線偏振光，經過起偏器4後為垂直線性偏振光。垂直線性偏振光經過泵浦光第一凸透鏡5入射聲光調製器6，此時垂直線性偏振光被調製分成四級，可調光闌7使+1級光束通過，其它分級光束被阻擋。泵浦光第一擴束準直透鏡8用於將泵浦光擴束並準直，仔細調整泵浦光第一反射鏡9，使泵浦光平行於泵浦光延遲位移平臺13移動方向並垂直泵浦光第三反射鏡14斜面。然後調整泵浦光直角稜鏡11，使泵浦光平行於泵浦光延遲位移平臺13移動方向並垂直泵浦光第四反射鏡15斜面。從泵浦光第四反射鏡15出射光線經過泵浦光第二反射鏡10、泵浦光第二擴束準直透鏡12、泵浦光第五反射鏡16、泵浦光第二凸透鏡17聚焦在樣品的表面。分束器2反射的探測光首先經過探測光第一擴束準直透鏡27入射到探測光第二反射鏡25，仔細調整探測光第二反射鏡25使探測光平行於探測光延遲位移平臺30移動方向並垂直於探測光第四反射鏡29斜面，然後調整探測光直角稜鏡26，使探測光平行探測光延遲位移平臺30並垂直探測光第三反射鏡28斜面。從探測光第三反射鏡28出射光線經過探測光第一反射鏡22、探測光第二擴束透鏡21、探測光第一凸透鏡23聚焦到泵浦光加熱區域中心，探測光經過樣品反射後進入探測光縮束透鏡20、檢偏器19進入光電探測器18，從而完成了樣品表面溫度的測量。採用單延遲位移平臺，由於光路校準和準直限制，很難實現較長延遲時間數據採集。在實驗室原有的瞬態熱反射系統的基礎上，通過在泵浦光路中添加了一個延遲位移平臺、兩個反射鏡、一個直角大稜鏡以及一個擴束準直透鏡組，發展了雙延遲位移平臺飛秒雷射瞬態熱反射系統，使延遲時間從2ns增加到8ns。採用雙延遲位移平臺技術，相比於同等延遲時間單延遲位移平臺，一方面降低了光路校準和準直的難度，提高了測量精度；另一方面，這種技術還具有檢測較短延遲時間數據的功能。
權利要求
1.一種雙延遲位移平臺飛秒雷射瞬態熱反射系統，其特徵在於:該系統包括 雷射器(I)，用於輸出光束； 分束器(2)，用於將雷射器(I)輸出光束分成兩束，一束為泵浦光，用以加熱樣品，另外一束是探測光，用以探測樣品表面溫度變化； 在泵浦光路: 起偏器(4)，用於將雷射器(I)輸出的水平線性偏振光轉變為垂直線性偏振光； 泵浦光第一凸透鏡(5)，用於聚焦起偏器(4)輸出的垂直線性偏振光，並進入聲光調製器(6); 聲光調製器(6)，用於調製泵浦光，此時，泵浦光加載調製頻率； 可調光闌(7)，用於將聲光調製器(6)輸出+1級光束通過而阻擋其它分級光束； 泵浦光第一擴束準直透鏡(8)，用於調節聲光調製器(6)輸出雷射光束，使其變為放大準直光束； 泵浦光第一反射鏡(9)，用於將通過泵浦光第一擴束準直透鏡(8)處理的準直光束進行反射偏轉，並投射到泵浦光延遲位移平臺(13)上的泵浦光第三反射鏡(14); 泵浦光直角稜鏡(11)，從泵浦光第三反射鏡(14)出來的光束，經過泵浦光直角稜鏡(11)反轉後進入泵浦光第四反射鏡(15)； 泵浦光第四反射鏡(15)，泵浦光進入泵浦光第四反射鏡(15)再次反轉進入泵浦光第二反射鏡(10)； 泵浦光第二反射鏡(10)，用於反射偏轉泵浦光，並投射到泵浦光第二擴束準直透鏡(12)，此時，泵浦光束再次被準直放大並投射到泵浦光第五反射鏡(16); 泵浦光第五反射鏡(16)，用於反射偏轉泵浦光，並投射到泵浦光第二凸透鏡(17); 泵浦光第二凸透鏡(17)，投射到泵浦光第二凸透鏡(17)光束聚焦到樣品表面，完成樣品加熱功能； 在探測光路: 探測光第一擴束準直透鏡(27)，從分束器(2)輸出的雷射光束，經過探測光第一擴束準直透鏡(27)變成放大準直光束並投射到探測光第二反射鏡(25)； 探測光第二反射鏡(25)，用於反射偏轉探測光，並投射到探測光延遲位移平臺(30)上探測光第四反射鏡(29); 探測光直角稜鏡(26)，從探測光第四反射鏡(29)出來的探測光束進入探測光直角稜鏡(26)反轉後回射到探測光第三反射鏡(28)； 探測光第一反射鏡(22)，從探測光第三反射鏡(28)出來的探測光束投射到探測光第一反射鏡(22)反射偏轉後進入探測光第二擴束準直透鏡(21)，完成探測光再次準直放大；探測光第一凸透鏡(23)，接收探測光第二擴束準直透鏡(21)出來的光束並聚焦探機類到樣品表面泵浦光加熱中心。
2.根據權利要求1所述的雙延遲位移平臺飛秒雷射瞬態熱反射系統，其特徵在於:泵浦光擴束準直由泵浦光第一擴束準直透鏡(8)調節。
3.根據權利要求1所述的雙延遲位移平臺飛秒雷射瞬態熱反射系統，其特徵在於:探測光擴束準直由探測光第一擴束準直透鏡(27)調節。
全文摘要
本發明公開了一種雙延遲位移平臺飛秒雷射瞬態熱反射系統，屬於雷射技術應用領域，常用於微納米材料熱物性測量。本發明包括雷射器(1)，用於輸出光束；分束器(2)，用於將雷射器(1)輸出光束分成兩束，一束為泵浦光，用以加熱樣品，另外一束是探測光，用以探測樣品表面溫度變化；起偏器(4)，用於將雷射器(1)輸出的水平線性偏振光轉變為垂直線性偏振光；泵浦光第一凸透鏡(5)，用於聚焦經起偏器(4)輸出的垂直線性偏振光，並進入聲光調製器(6)；聲光調製器(6)，用於調製泵浦光，此時，泵浦光加載調製頻率。本發明一方面降低了光路校準和準直的難度，提高了測量精度；另一方面，這種技術還具有檢測較短延遲時間數據的功能。
文檔編號G01N21/71GK103175823SQ20131007299
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月7日 優先權日2013年3月7日
發明者畢可東, 張春偉, 陳雲飛, 雍國清, 趙偉瑋 申請人:東南大學