反向共線瞬態熱反射測量系統的製作方法
2023-06-12 00:03:21
專利名稱：反向共線瞬態熱反射測量系統的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於雷射技術領域，涉及到超快脈衝雷射泵浦探測技術，尤其涉及到 基於泵浦探測技術的反向共線瞬態熱反射測量系統。
背景技術：
隨著超快脈衝雷射技術的不斷發展和成熟，作為研究和測量工具的雷射泵浦探測 技術在物理、化學、生物等領域也有著越來越重要的應用。在非穩態熱學過程中，尤其是在 微尺度傳熱過程中，基於泵浦探測技術發展而來的瞬態熱反射法更是一種有效的、非接觸 式的、無損的方法。在以往的瞬態熱反射測量系統中，主要有以下幾種思路①泵浦光和探測光採用 不同的波長，這就需要加入非線性晶體實現雷射波長的轉換，並加入不同波段的濾光片；② 泵浦光和探測光採用共線的方式入射到樣品表面，這種方法無法有效地利用樣品材料對入 射偏振光的反射和吸收特性，且泵浦光對探測光幹擾大，獲得的信號有較大的背景噪聲；③ 還有就是將泵浦光和探測光獨立處理，此方法雖然能夠很好地利用材料的吸收和反射特 性，但是調節過程複雜，較為不便。
發明內容技術問題本實用新型要解決的技術問題是解決測量系統光學元器件較多、調節 過分複雜的問題，提高探測信號的信噪比，併兼顧材料的吸收和反射特性，為此，本實用新 型提供一種反向共線瞬態熱反射測量系統。技術方案為解決上述技術問題，本實用新型提供的技術方案為一種反向共線 瞬態熱反射測量系統，該系統用於測量待測樣品，該系統包括偏振輸出脈衝雷射器、分束 器、波片、第一偏振器、第二偏振器、聲光調製器、大直角稜鏡、位移平臺、第一偏振分束器、 第二偏振分束器、光電探測器、第三反射鏡、第三凸透鏡、第四凸透鏡、第二擴束鏡和光路截 止擋板，待測樣品設置在第三凸透鏡和第四凸透鏡之間，其中，偏振輸出脈衝雷射器，用於輸出偏振態脈衝雷射束；分束器，用於將偏振輸出脈衝雷射器輸出的偏振態脈衝雷射束分成透過該分束器 且由波片接收的泵浦光和由該分束器反射且由第三反射鏡接收的探測光；波片，接受通過分束器分成的泵浦光，用於旋轉雷射束偏振方向；第一偏振器，接收通過波片旋轉偏振方向的泵浦光，使輸出泵浦光偏振方向與偏 振輸出脈衝雷射器輸出的偏振態脈衝雷射束偏振方向垂直；第一反射鏡，接收經第一偏振器的泵浦光並反射該泵浦光；第一凸透鏡，接收並聚焦縮束經過第一反射鏡反射的泵浦光；聲光調製器，接收並調製經第一凸透鏡聚焦縮束的泵浦光，用於輸出調製的泵浦 光；光闌，用於通過已經聲光調製器調製的泵浦光，並阻擋其他衍射光；[0014]第一偏振分束器，用於反射通過光闌的已調製的泵浦光；第一擴束鏡，用於接收第一偏振分束器反射的已調製泵浦光，將其光斑放大；第三凸透鏡，用於將通過第一擴束鏡的已調製泵浦光匯聚到樣品表面；第四凸透鏡，用於將從樣品表面反射的已調製泵浦光近似平行入射至第二擴束 鏡；第二擴束鏡，用於接收通過第四凸透鏡的已調製泵浦光，將其光斑縮小；第二偏振分束器，用於反射通過第二擴束鏡的已調製泵浦光，使之入射至光路截 止擋板；光路截止擋板，用於阻擋第二偏振分束器反射的已調製泵浦光；第三反射鏡，用於接收並反射分束器反射出的探測光；大直角稜鏡，利用全反射接收的經過第三反射鏡反射的探測光，並改變探測光的 光路路方向，使探測光的光路方向改變180度；位移平臺，其移動方向和第三反射鏡入射至大直角稜鏡的方向平行；第二反射鏡，用於反射通過大直角稜鏡的探測光；第二偏振分束器，還用於透過第二反射鏡反射的探測光；第二擴束鏡，還用於接收透過第二偏振分束器的探測光，將其光斑放大；第四凸透鏡，還用於將通過第二擴束鏡的探測光到樣品表面；第三凸透鏡，還用於將從樣品表面反射的探測光近似平行入射至第一擴束鏡；第一擴束鏡，還用於接收通過第三凸透鏡的偏振探測光，將其光斑縮小；第一偏振分束器，還用於接收通過第一擴束鏡的探測光，使之透過併入射至第二 偏振器；第二偏振器，還用於接收透過第一偏振分束器的探測光，並過濾掉和探測光偏振 方向不同的雜散光。優選的，所述偏振輸出脈衝雷射器是波長700 900nm的鈦寶石飛秒雷射器，重複 頻率76MHz，脈衝寬度約lOOfs。優選的，所述分束器採用約90%透過、10%反射的分束器。優選的，波片採用二分之一波片。優選的，第一反射鏡、第二反射鏡和第三反射鏡採用45度全反鏡。優選的，第一凸透鏡、第二凸透鏡、第三凸透鏡和第四凸透鏡的焦距範圍在50 300mm之間選取。優選的，聲光調製器的調製頻率範圍為IkHz 10MHz。優選的，光電探測器採用響應時間小於2ns的探測器。優選的，第一擴束鏡和第二擴束鏡分別採用3 5倍擴束鏡。優選的，位移平臺移動精度為每步100納米，掃描範圍大於150毫米，相應的光程 延時範圍大於Ins。有益效果本實用新型將偏振方向垂直的光分別通過樣品的反射實現反向共線。 這樣，能夠有效地減少光學元件，簡化調節過程，提高探測信號的信噪比，併兼顧到材料的 吸收和反射特性。
附圖1是本實用新型實施例中的結構示意圖主要部件說明如下1.偏振輸出脈衝雷射器；2.分束器；3.波片；4.待測樣品；5.第一偏振器；6.第一反射鏡；7.第一凸透鏡；8.聲光調製器；9.光闌；10.第二偏振器；11.第二凸透鏡；12.光電探測器；13.第一偏振分束器；14.第一擴束鏡；15.第三凸透鏡；16.第四凸透鏡；17.第二擴束鏡；18.第二偏振分束器；19.第二反射鏡；20.光路截止擋板；21.第三反射鏡；22.大直角稜鏡；23.位移平臺。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型做進一步說明。應指出的是，所描述的實例僅旨在便 於對本實用新型的理解，而不對其起任何限定作用。本實用新型提供的反向共線瞬態熱反射測量系統，該系統用於測量待測樣品4，該 系統包括偏振輸出脈衝雷射器1、分束器2、波片3、第一偏振器5、第二偏振器10、聲光調製 器8、大直角稜鏡22、位移平臺23、第一偏振分束器13、第二偏振分束器18、光電探測器12、 第三反射鏡21、第三凸透鏡15、第四凸透鏡16、第二擴束鏡17和光路截止擋板20，待測樣 品4設置在第三凸透鏡15和第四凸透鏡16之間，其中，偏振輸出脈衝雷射器1，用於輸出偏振態脈衝雷射束；分束器2，用於將偏振輸出脈衝雷射器1輸出的偏振態脈衝雷射束分成透過該分 束器2且由波片3接收的泵浦光和由該分束器2反射且由第三反射鏡21接收的探測光；波片3，接受通過分束器2分成的泵浦光，用於旋轉雷射束偏振方向；
6[0072]第一偏振器5，接收通過波片3旋轉偏振方向的泵浦光，使輸出泵浦光偏振方向與 偏振輸出脈衝雷射器1輸出的偏振態脈衝雷射束偏振方向垂直；第一反射鏡6，接收經第一偏振器5的泵浦光並反射該泵浦光；第一凸透鏡7，接收並聚焦縮束經過第一反射鏡6反射的泵浦光；聲光調製器8，接收並調製經第一凸透鏡7聚焦縮束的泵浦光，用於輸出調製的泵 浦光；光闌9，用於通過已經聲光調製器8調製的泵浦光，並阻擋其他衍射光；第一偏振分束器13，用於反射通過光闌9的已調製的泵浦光；第一擴束鏡14，用於接收第一偏振分束器13反射的已調製泵浦光，將其光斑放 大；第三凸透鏡15，用於將通過第一擴束鏡14的已調製泵浦光匯聚到樣品4表面；第四凸透鏡16，用於將從樣品4表面反射的已調製泵浦光近似平行入射至第二擴 束鏡17 ；第二擴束鏡17，用於接收通過第四凸透鏡16的已調製泵浦光，將其光斑縮小；第二偏振分束器18，用於反射通過第二擴束鏡17的已調製泵浦光，使之入射至光 路截止擋板20 ；光路截止擋板20，用於阻擋第二偏振分束器18反射的已調製泵浦光；第三反射鏡21，用於接收並反射分束器2反射出的探測光；大直角稜鏡22，利用全反射接收的經過第三反射鏡21反射的探測光，並改變探測 光的光路路方向，使探測光的光路方向改變180度；位移平臺23，沿著圖示箭頭方向移動，其移動方向和第三反射鏡21入射至大直角 稜鏡22的方向平行；第二反射鏡19，用於反射通過大直角稜鏡22的探測光；第二偏振分束器18，還用於透過第二反射鏡19反射的探測光；第二擴束鏡17，還用於接收透過第二偏振分束器18的探測光，將其光斑放大；第四凸透鏡16，還用於將通過第二擴束鏡17的探測光到樣品4表面；第三凸透鏡15，還用於將從樣品4表面反射的探測光近似平行入射至第一擴束鏡 14；第一擴束鏡14，還用於接收通過第三凸透鏡15的偏振探測光，將其光斑縮小；第一偏振分束器13，還用於接收通過第一擴束鏡14的探測光，使之透過併入射至 第二偏振器10 ；第二偏振器10，還用於接收透過第一偏振分束器13的探測光，並過濾掉和探測光 偏振方向不同的雜散光。偏振輸出脈衝雷射器1是波長700 900nm的鈦寶石飛秒雷射器，重複頻率 76MHz，脈衝寬度約IOOfs。所述分束器2採用約90%透過、10%反射的分束器。波片3採用二分之一波片。第一反射鏡6、第二反射鏡19和第三反射鏡21採用45度全反鏡。第一凸透鏡7、第二凸透鏡11、第三凸透鏡15和第四凸透鏡16的焦距範圍在50 300mm之間選取。聲光調製器8的調製頻率範圍為IkHz IOMHz。光電探測器12採用響應時間小於2ns的探測器。第一擴束鏡14和第二擴束鏡17分別採用3 5倍擴束鏡。位移平臺23移動精度為每步100納米，掃描範圍大於150毫米，相應的光程延時 範圍大於Ins。應用實例如結構示意圖1所示，偏振輸出脈衝雷射器1輸出波長為SOOnm的飛秒脈衝光，重 復頻率76MHz，脈衝寬度lOOfs，平均功率1. 2W ；分束器2採用透過90%反射10%的分束器；波片3採用二分之一波片；第一偏振器5採用格蘭雷射稜鏡，第二偏振器10採用格蘭湯姆森稜鏡；第一反射鏡6、第二反射鏡19和第三反射鏡21採用45度全反鏡；第一凸透鏡7、第二凸透鏡11、第三凸透鏡15和第四凸透鏡16可以根據需求選用 焦距範圍在50 300mm之間的凸透鏡；聲光調製器8的調製頻率範圍選在IkHz IOMHz，其頻率調製通過聲光調製器驅 動器控制；光闌9採用可調小孔光闌；光電探測器12採用響應時間Ins的PIN矽二極體；第一擴束鏡14和第二擴束鏡17採用3 5倍擴束鏡；光路截止擋板20採用擋板吸收並截止光路；大直角稜鏡22採用30mmX30mmX30mm直角稜鏡；位移平臺23採用電控位移平臺，精度為每步lOOnm，掃描範圍300mm，對應的光程 延時範圍為2ns。本實用新型的主要結構與原理描述如下本實用新型的主要結構有偏振輸出脈衝雷射器1、分束器2、波片3、第一偏振器5、 第二偏振器10、聲光調製器8、大直角稜鏡22、位移平臺23、第一偏振分束器13、第二偏振分 束器18和光電探測器12組成。偏振輸出脈衝雷射器1輸出的脈衝雷射如果是水平線偏振的，通過分束器2後，會 有90%的光透過、10%的光反射；透過的光作為泵浦光，會通過二分之一波片3和第一偏振 器5組成的功率調節系統，二分之一波片3旋轉水平線偏振光的偏振方向，第一偏振器5使 通過的雷射偏振方向變成垂直；偏振方向變為垂直的雷射束通過第一反射鏡6(45度反射 鏡)反射和第一凸透鏡7聚焦後進入聲光調製器8，聲光調製器8在函數發生器TTL電平信 號控制的聲光調製器驅動器驅動下，將通過的雷射束調製到設定頻率；從聲光調製器8出 射的雷射束經過可調小孔光闌9，選擇所需的一級衍射光，通過第一偏振分束器13的反射、 第一擴束鏡14的擴束，最終通過第三凸透鏡15聚焦到樣品4的表面，加熱樣品4。泵浦光 經過樣品表面的反射會通過第四凸透鏡16出射、第二擴束器17逆向縮束，經過第二偏振分 束器18反射到光路截止擋板20。即完成整個泵浦光路。被分束器2反射的10%的水平偏振光作為探測光，經過第三反射鏡21 (45度反射
8鏡)，入射到安裝在位移平臺23上的大直角稜鏡22 ；經過大直角稜鏡22的兩次全反射，激 光束出射至第二反射鏡19 (45度反射鏡)，反射通過第二偏振分束器18，通過第二擴束鏡17 擴束後，第四凸透鏡16將其聚焦至樣品4的表面。探測光從樣品4表面反射，通過第三凸 透鏡15出射、第一擴束鏡14逆向縮束後，透過第一偏振分束器13進入第二偏振器10，過濾 掉水平偏振光以外的雜散光後，通過第二凸透鏡11聚焦探測光信號到光電探測器12上。泵浦光從第一偏振分束器13經過樣品4反射到第二偏振分束器18的這段光路和 探測光從第二偏振分束器18經樣品4反射到第一偏振分束器13這段光路，即為反向共線 光路。泵浦光和探測光在樣品4表面同一點重合，利用樣品4表面的鏡面反射，實現兩束光 的反向共線。而由於泵浦光和探測光的偏振方向垂直，所以，泵浦光利用第一偏振分束器13 和第二偏振分束器18對垂直偏振光的反射，而水平偏振方向的探測光則直接透過第二偏 振分束器18和第一偏振分束器13。光程延時環節由位移平臺23和大直角稜鏡22組成，延時範圍由位移平臺的行程 確定，實例中延時範圍最大為2ns。分束器2反射的探測光，通過第三反射鏡21 (45度反射鏡)反射，入射至大直角稜 鏡22，其入射方向應保證和位移平臺23移動方向平行；同時需調節大直角稜鏡22安放位 置和角度，以保證在位移平臺23移動的過程中從大直角稜鏡22出射的雷射束始終和位移 平臺23運動方向平行。光電探測器12使用響應時間為Ins的PIN矽二極體，保證響應頻率高於偏振輸出 脈衝雷射器1的重複頻率，避免探測誤差。聲光調製器8，位移平臺23和光電探測器12須協調工作，根據聲光調製器8的調 制頻率設置位移平臺23的移動速度，並讀取光電探測器12採集的數據，如聲光調製器8採 用IMHz的調製信號，則在泵浦光和探測光光程相等點附近2cm處位移平臺速度不得大於10 微米每秒，而其他位置平臺的位移速度不得大於150微米每秒。一般一秒讀取一個或一個 以上的探測信號。最後得到不同延時時間的反射探測光的強度，從而反推出材料的熱學性 質。
權利要求一種反向共線瞬態熱反射測量系統，該系統用於測量待測樣品(4)，其特徵在於該系統包括偏振輸出脈衝雷射器(1)、分束器(2)、波片(3)、第一偏振器(5)、第二偏振器(10)、聲光調製器(8)、大直角稜鏡(22)、位移平臺(23)、第一偏振分束器(13)、第二偏振分束器(18)、光電探測器(12)、第三反射鏡(21)、第三凸透鏡(15)、第四凸透鏡(16)、第二擴束鏡(17)和光路截止擋板(20)，待測樣品(4)設置在第三凸透鏡(15)和第四凸透鏡(16)之間，其中，偏振輸出脈衝雷射器(1)，用於輸出偏振態脈衝雷射束；分束器(2)，用於將偏振輸出脈衝雷射器(1)輸出的偏振態脈衝雷射束分成透過該分束器(2)且由波片(3)接收的泵浦光和由該分束器(2)反射且由第三反射鏡(21)接收的探測光；波片(3)，接受通過分束器(2)分成的泵浦光，用於旋轉雷射束偏振方向；第一偏振器(5)，接收通過波片(3)旋轉偏振方向的泵浦光，使輸出泵浦光偏振方向與偏振輸出脈衝雷射器(1)輸出的偏振態脈衝雷射束偏振方向垂直；第一反射鏡(6)，接收經第一偏振器(5)的泵浦光並反射該泵浦光；第一凸透鏡(7)，接收並聚焦縮束經過第一反射鏡(6)反射的泵浦光；聲光調製器(8)，接收並調製經第一凸透鏡(7)聚焦縮束的泵浦光，用於輸出調製的泵浦光；光闌(9)，用於通過已經聲光調製器(8)調製的泵浦光，並阻擋其他衍射光；第一偏振分束器(13)，用於反射通過光闌(9)的已調製的泵浦光；第一擴束鏡(14)，用於接收第一偏振分束器(13)反射的已調製泵浦光，將其光斑放大；第三凸透鏡(15)，用於將通過第一擴束鏡(14)的已調製泵浦光匯聚到樣品(4)表面；第四凸透鏡(16)，用於將從樣品(4)表面反射的已調製泵浦光近似平行入射至第二擴束鏡(17)；第二擴束鏡(17)，用於接收通過第四凸透鏡(16)的已調製泵浦光，將其光斑縮小；第二偏振分束器(18)，用於反射通過第二擴束鏡(17)的已調製泵浦光，使之入射至光路截止擋板(20)；光路截止擋板(20)，用於阻擋第二偏振分束器(18)反射的已調製泵浦光；第三反射鏡(21)，用於接收並反射分束器(2)反射出的探測光；大直角稜鏡(22)，利用全反射接收的經過第三反射鏡(21)反射的探測光，並改變探測光的光路路方向，使探測光的光路方向改變180度；位移平臺(23)，其移動方向和第三反射鏡(21)入射至大直角稜鏡(22)的方向平行；第二反射鏡(19)，用於反射通過大直角稜鏡(22)的探測光；第二偏振分束器(18)，還用於透過第二反射鏡(19)反射的探測光；第二擴束鏡(17)，還用於接收透過第二偏振分束器(18)的探測光，將其光斑放大；第四凸透鏡(16)，還用於將通過第二擴束鏡(17)的探測光到樣品(4)表面；第三凸透鏡(15)，還用於將從樣品(4)表面反射的探測光近似平行入射至第一擴束鏡(14)；第一擴束鏡(14)，還用於接收通過第三凸透鏡(15)的偏振探測光，將其光斑縮小；第一偏振分束器(13)，還用於接收通過第一擴束鏡(14)的探測光，使之透過併入射至第二偏振器(10)；第二偏振器(10)，還用於接收透過第一偏振分束器(13)的探測光，並過濾掉和探測光偏振方向不同的雜散光。
2.根據權利要求1所述的反向共線瞬態熱反射測量系統，其特徵在於，所述偏振輸出 脈衝雷射器(1)是波長700 900nm的鈦寶石飛秒雷射器，重複頻率76MHz，脈衝寬度約 IOOfs0
3.根據權利要求1所述的反向共線瞬態熱反射測量系統，其特徵在於，所述分束器(2) 採用約90%透過、10%反射的分束器。
4.根據權利要求1所述的反向共線瞬態熱反射測量系統，其特徵在於，波片(3)採用二 分之一波片。
5.根據權利要求1所述的反向共線瞬態熱反射測量系統，其特徵在於，第一反射鏡(6)、第二反射鏡(19)和第三反射鏡(21)採用45度全反鏡。
6.根據權利要求1所述的反向共線瞬態熱反射測量系統，其特徵在於，第一凸透鏡(7)、第二凸透鏡(11)、第三凸透鏡(15)和第四凸透鏡(16)的焦距範圍在50 300mm之間 選取。
7.根據權利要求1所述的反向共線瞬態熱反射測量系統，其特徵在於，聲光調製器(8) 的調製頻率範圍為IkHz IOMHz。
8.根據權利要求1所述的反向共線瞬態熱反射測量系統，其特徵在於，光電探測器 (12)採用響應時間小於2ns的探測器。
9.根據權利要求1所述的反向共線瞬態熱反射測量系統，其特徵在於，第一擴束鏡 (14)和第二擴束鏡(17)分別採用3 5倍擴束鏡。
10.根據權利要求1所述的反向共線瞬態熱反射測量系統，其特徵在於，位移平臺(23) 移動精度為每步100納米，掃描範圍大於150毫米，相應的光程延時範圍大於Ins。
專利摘要本實用新型涉及一種反向共線瞬態熱反射測量系統，該系統用於測量待測樣品(4)，該系統包括偏振輸出脈衝雷射器(1)、分束器(2)、波片(3)、第一偏振器(5)、第二偏振器(10)、聲光調製器(8)、大直角稜鏡(22)、位移平臺(23)、第一偏振分束器(13)、第二偏振分束器(18)、光電探測器(12)、第三反射鏡(21)、第三凸透鏡(15)、第四凸透鏡(16)、第二擴束鏡(17)和光路截止擋板(20)，待測樣品(4)設置在第三凸透鏡(15)和第四凸透鏡(16)之間。該測量系統減少光學元器件，簡化調節過程，提高探測信號的信噪比，併兼顧到材料的吸收和反射特性。
文檔編號G01N21/00GK201653881SQ20102019141
公開日2010年11月24日 申請日期2010年5月14日 優先權日2010年5月14日
發明者李劍, 畢可東, 鄭月明, 陳雲飛 申請人:東南大學