基於駐波激發瞬態體光柵效應的材料特性檢測裝置的製作方法

2023-06-04 08:51:36

專利名稱：基於駐波激發瞬態體光柵效應的材料特性檢測裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及雷射激發瞬態光柵效應及其應用領域，具體是一種基於駐波激發瞬態體光柵效應的材料特性檢測裝置。
背景技術：
雷射激發瞬態光柵技術(thelaser-1nduced transient grating technique)廣泛用於各類材料的特性研究和分析，特別是材料光熱響應、光聲效應、馳豫及輸運特性、以及非線性光學特性等的研究和分析。雷射激發瞬態光柵技術的基本原理可以描述如下兩束相干雷射束(通常稱泵浦光)在材料表面或內部重疊，由於光學幹涉效應，在兩束光的重疊區域將產生周期性的光強分布；這種周期性的光強分布在與材料相互作用時將對材料特性產生周期性的空間調製；這種周期性的空間調製將對入射其中的第三束光(通常稱探測光)產生衍射效應；通過檢測和分析探測光的衍射效應就能獲得材料的相關特性。根據泵浦光與被測材料相互作用的不同原理及其具體的檢測方法，雷射激發瞬態光柵技術可用來分析材料的光熱特性、光聲相應、馳豫及輸運特性、以及非線性光學特性
坐寸ο現有的雷射誘導瞬態光柵技術根據泵浦光的特性可大體上分為兩大類。第一類是利用光強調製的連續雷射來作為泵浦光，利用材料的光學吸收而產生的光熱效應或者半導體材料的光激發載流子效應等而獲得與泵浦光空間分布相對應的瞬態光柵。該方法的優點是可以利用鎖相技術對探測光的衍射效應進行檢測和分析，信噪比好，檢測靈敏度高。第二類是利用脈衝雷射來作為泵浦光。當利用脈衝雷射來作為泵浦光時，材料的光學吸收、半導體材料的光激發載流子效應、以及材料的光學折射率非線性效應等都可以產生瞬態光柵效應。具體應用時根據具體的材料特徵和實驗條件，可以用一種或多種物理模型來對結果進行模擬和分析，從而獲得被測材料的相關特性。不管是利用光強調製的連續雷射還是利用脈衝雷射作為泵浦光源，在已有的雷射激發瞬態光柵技術中，瞬態光柵都是通過兩束相干雷射的幹涉而形成的。這種方法先要把一束相干的雷射一分為二，再通過一套光學裝置讓這兩束光在樣品表面或內部重疊，產生幹涉效應。這種方法的優點是瞬態光柵的周期可以通過調整兩束光的角度來進行調整，在測量時具有較強的靈活性；缺點是光路相對較為複雜，光路調整誤差對光柵特性影響較大，從而在實際應用中不利於檢測系統的穩定性、可靠性以及微型化。

實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是提供一種基於駐波激發瞬態體光柵效應的材料特性檢測裝置，其具有光路簡單、光柵特性穩定等特點，在實際應用中將有利於相關分析檢測儀器的系統集成和微型化，獲得更好的可靠性和穩定性。本實用新型的技術方案為[0010]基於駐波激發瞬態體光柵效應的材料特性檢測裝置，包括有泵浦光源、探測光源和相對被測樣品背面設置的反射裝置。所述的材料特性檢測裝置還包括有順次設置於泵浦光源和被測樣品表面之間的泵浦光濾波擴束準直系統、浦光束位置調整系統和泵浦光聚焦透鏡，順次設置於探測光源和被測樣品表面或一側面之間的探測光濾波擴束準直系統、探測光束位置調整系統和探測光聚焦透鏡，以及設置於被測樣品背面和反射裝置之間的泵浦光準直透鏡。所述的反射裝置包括有反射鏡裝夾調整裝置和設置於反射鏡裝夾調整裝置上的高反射率鏡。所述的材料特性檢測裝置還包括有順次設置於被測樣品背面或另一側面後端的探測光準直透鏡、探測光束調整透鏡、探測光空間濾波器、探測光濾光片和光電探測器。本實用新型的原理本實用新型的瞬態體光柵隨著泵浦光的光強變化而變化，當泵浦光消失時，它經過一段馳豫時間後也將消失，瞬態體光柵將對入射其中的探測光產生衍射效應，而通過檢測和分析探測光的衍射效應就能獲得材料的相關特性。本實用新型來自被測樣品表面和背面的多次反射現象對被測樣品內部駐波場分布的影響可以忽略，這種忽略適用對鍍有減反射膜的光學樣品，另外它對厚度尺寸相對泵浦光相干長度而言很大的樣品也是基本適用的；而在其他情況下，則可以通過把被測樣品相對泵浦光傾斜一定角度放置而避免樣品表面多次反射效應對樣品體內駐波場分布產生很大影響，如圖3所示。本實用新型的優點(I)、本實用新型的光路簡單、光柵特性穩定，在實際應用中將有利於相關分析檢測儀器的系統集成和微型化，獲得更好的可靠性和穩定性；(2)、本實用新型在探測光路一致、泵浦光源功率相同的條件下，不需要對泵浦光進行分光，因此其所激發的幹涉駐波場強度要比傳統的雙光束幹涉方法增強很多，這在實際應用中可以在保持檢測靈敏度不變的情況下較大幅度降低對泵浦光源的功率水平的要求，從而較大幅度降低相關檢測與分析儀器的成本、體積和重量。

圖1是本實用新型的實施例結構示意圖。
具體實施方式
見圖1，本實用新型基於駐波激發瞬態體光柵效應的材料特性檢測裝置的一種實施典例的結構示意圖，包括有泵浦光源1，探測光源3，相對被測樣品2背面設置的反射裝置，順次設置於泵浦光源I和被測樣品2表面之間的泵浦光濾波擴束準直系統4、浦光束位置調整系統5和泵浦光聚焦透鏡6，順次設置於探測光源3和被測樣品2表面之間的探測光濾波擴束準直系統7、探測光束位置調整系統8和探測光聚焦透鏡9，以及設置於被測樣品2背面和反射裝置之間的泵浦光準直透鏡10，順次設置於被測樣品2背面後端的探測光準直透鏡13、探測光束調整透鏡14、探測光空間濾波器15、探測光濾光片16和光電探測器17 ;其中，反射裝置包括有反射鏡裝夾調整裝置11和設置於反射鏡裝夾調整裝置11上的高反射率鏡12，被測樣品2的放置角度滿足其被測樣品2表面與泵浦光束的入射方向之間形成合理的角度，以避免泵浦光在樣品內部形成多次反射而影響樣品內部的駐波場分布。利用基於駐波激發瞬態體光柵效應的材料特性檢測裝置進行檢測的方法，具體包括以下步驟(I)、泵浦光源I發出脈衝泵浦光束，脈衝泵浦光束經過濾波擴束準直系統4後由泵浦光束位置調整系統5進行相對位置調整，然後通過泵浦光聚焦透鏡6聚焦到被測樣品2的內部，泵浦光聚焦透鏡6具有相對較長的焦距，聚焦後的泵浦光束在被測樣品2內部具有較長的焦深和適當的橫向尺寸，然後從被測樣品2出射的泵浦光束經過泵浦光準直透鏡10後被高反射率鏡12反射回來，在被測樣品2內部與初始入射泵浦光束重疊，並在重疊區域內形成駐波場；高反射率鏡12夾在能夠靈活調整角度和位置的反射鏡夾緊裝置11上；由於被測樣品2對泵浦光束波長存在光學吸收，在重疊區域內形成的駐波場將在相應區域內形成與駐波場光強相對應的周期性溫度分布調製，從而激發瞬態熱光柵效應，這種瞬態熱光柵效應將由一種另一波長的探測光束進行探測；(2)、探測光源3發出與泵浦雷射束波長不同的探測光束，探測光束經過濾波擴束準直系統7後由探測光束位置調整系統8進行相對位置調整，然後通過探測光聚焦透鏡9聚焦到被測樣品2內部，探測光束入射方向與瞬態體光柵法線成一定角度，探測光聚焦透鏡9具有合適的焦距，聚焦後的探測光束在被測樣品2內部具有較長的焦深和適當的橫向尺寸，並在適當離焦的位置與泵浦光激發的瞬態體光柵相互作用，產生衍射效應；入射的探測光束一部分將被衍射，一部分直接透射，即最終探測光束被分成衍射光束和透射光束；(3)、透射光束經過探測光準直透鏡13後由探測光束調整透鏡14匯聚，匯聚光束由探測光束調整透鏡14出射後經過探測光空間濾波器15和探測光濾光片16後入射到光電探測器17上；探測光空間濾波器15的主要功能是濾去透過體光柵的衍射光和其他來源於與探測光同樣波長的雜散光，探測光濾光片16的主要功能是透過探測光同時過濾掉來源於泵浦光及其他波長的雜散光，光電探測器17得到的光強信號及其隨時間的變化可以通過一定的檢測電路和計算機來進行檢測、分析和計算。如果泵浦光是脈衝光，則檢測電路一般為同步相關檢測電路(如Boxcar積分器)；如果泵浦光是強度調製的連續光，則檢測電路一般為鎖相檢測電路(如Lock-1n放大器)。由於駐波場激發的瞬態體光柵的調製深度和馳豫時間等與被測樣品的光學吸收、熱學、馳豫及輸運特性、以及非線性光學特性等都可能緊密相關，根據具體的實驗條件，通過使用合適的物理模型和分析方法，雷射激發瞬態光柵技術可用來分析材料的光熱特性、光聲相應、馳豫及輸運特性、以及非線性光學特性等。
權利要求1.基於駐波激發瞬態體光柵效應的材料特性檢測裝置，包括有泵浦光源和探測光源，其特徵在於:所述的材料特性檢測裝置還包括有相對被測樣品背面設置的反射裝置。
2.根據權利 要求1所述的基於駐波激發瞬態體光柵效應的材料特性檢測裝置，其特徵在於:所述的材料特性檢測裝置還包括有順次設置於泵浦光源和被測樣品表面之間的泵浦光濾波擴束準直系統、浦光束位置調整系統和泵浦光聚焦透鏡，順次設置於探測光源和被測樣品表面或一側面之間的探測光濾波擴束準直系統、探測光束位置調整系統和探測光聚焦透鏡，以及設置於被測樣品背面和反射裝置之間的泵浦光準直透鏡。
3.根據權利要求1或2所述的基於駐波激發瞬態體光柵效應的材料特性檢測裝置，其特徵在於:所述的反射裝置包括有反射鏡裝夾調整裝置和設置於反射鏡裝夾調整裝置上的高反射率鏡。
4.根據權利要求3所述的基於駐波激發瞬態體光柵效應的材料特性檢測裝置，其特徵在於:所述的材料特性檢測裝置還包括有順次設置於被測樣品背面或另一側面後端的探測光準直透鏡、探測光束調整透鏡、探測光空間濾波器、探測光濾光片和光電探測器。
專利摘要本實用新型公開了一種基於駐波激發瞬態體光柵效應的材料特性檢測裝置，使用時，首先泵浦光束透過被測樣品後被反射裝置反射重新進入被測樣品內部與初始入射的泵浦光束重疊，由於光學幹涉效應形成駐波，產生周期性光強分布，形成瞬態體光柵，探測光束入射到被測樣品內部瞬態體光柵區域，由於瞬態體光柵的衍射效應，最終探測光束被分成衍射光束和透射光束，通過檢測衍射光束或透射光束的強度、位相以及其隨時間的變化獲得被測樣品材料的相關特性。本實用新型的光路簡單、瞬態光柵特性穩定，在實際應用中將有利於相關分析檢測儀器的系統集成和微型化，獲得更好的可靠性和穩定性，可以用於光熱檢測、光聲檢測、半導體動態輸運特性檢測、光熱生物及醫學檢測、光熱光譜檢測及光學材料非線性光學特性分析等多個領域。
文檔編號G01N21/17GK202916182SQ201220613028
公開日2013年5月1日 申請日期2012年11月20日 優先權日2012年11月20日
發明者吳周令, 陳堅, 黃明 申請人:合肥知常光電科技有限公司