一種介質膜的飛秒激光損傷無損測試方法及裝置與流程

本發明涉及一種用于損傷無損測試方法及裝置，特別是介質膜在飛秒激光輻照下缺陷態的測試方法及裝置。

背景技術：

隨著科技的不斷進步，飛秒激光逐漸凸顯出越來越多的優勢，尤其是高功率飛秒激光，在醫療、信息存儲、超精細加工等領域得到廣泛應用，發展前景十分廣闊。薄膜元件作為飛秒激光系統中的重要組成部分，在大功率高能量激光系統中，其各項特性一直與系統正常有效運行密切相關。隨著飛秒激光脈寬逐漸縮短且峰值功率不斷增強，為確保系統穩定運行、助力飛秒激光技術發展，應用廣泛的薄膜元件的各項特性，尤其是損傷閾值，也亟需提升。

介質膜是大部分薄膜元件的核心組成部分，其損傷特性一直受到廣泛關注，對于其損傷閾值的測量也發展出諸多有效方法。飛秒激光損傷反應過程一般極快，不易測量。由于飛秒激光導致的介質膜損傷是一種本征損傷，與介質膜材料的一系列本征特性密切相關，因此對介質膜內部的損傷探測過程十分重要。以往的損傷探測主要集中在顯微層面，諸如損傷的閾值、形貌等，而對介質膜內部的過程，尤其是缺陷態的測試關注不多。這主要是由于介質膜各能帶間的躍遷過程一般在皮秒至飛秒量級，測量過程對時域尺度要求較高。因此，能夠在原子層面觀察到物質內部的超快運動過程的飛秒激光，具有極高的測量精度，是探測介質膜損傷過程的有效工具。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題克服上述現有技術的不足，是提供一種介質膜的飛秒激光損傷無損測試方法及裝置，能夠實現介質膜反射率變化的無損實時連續檢測，進一步對介質膜缺陷態進行研究，有助于從對介質膜損傷的本征特性及演變機理進行有效研究。

本發明的技術方案為：

一種介質膜的飛秒激光損傷無損測試裝置，其特點在于，包括：第一分束片、第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、第一可調型階梯濾波片、第四反射鏡、第五反射鏡、電控平移臺、第六反射鏡、第七反射鏡、第二可調型階梯濾波片、第二分束片、第八反射鏡、第一凸透鏡、光束穩定系統、拋物面鏡、供樣品放置的樣品架、第二凸透鏡、多通道鎖相放大器、擋光板和計算機；所述的第六反射鏡和第七反射鏡互成直角放置在所述的電控平移臺上；

入射激光經所述的第一分束片分成透射光束和反射光束，所述的透射光束依次經所述的第一反射鏡、第二反射鏡和第三反射鏡反射后，入射到所述的第一可調型階梯濾波片，經該第一可調型階梯濾波片透射后，依次經所述的第四反射鏡和拋物面鏡，作為探測光被聚焦至樣品，構成泵浦探測光路中探測光部分；所述的反射光束依次經所述的第五反射鏡、第六反射鏡、第七反射鏡反射后，入射到所述的第二可調型階梯濾波片，經該第二可調型階梯濾波片透射后，入射到所述的第二分束片，經該第二分束片分束為第二透射光束和第二反射光束，所述的第二透射光束經所述的拋物面鏡聚焦，作為泵浦光被聚焦至樣品，構成泵浦探測中泵浦光部分；所述的第二反射光依次經所述的第六反射鏡和第一凸透鏡后，聚焦入射至光束穩定系統；

所述的探測光被樣品反射后，攜帶樣品信息經第二凸透鏡聚焦至多通道鎖相放大器，并由多通道鎖相放大器轉換為電信號傳至計算機，通過計算機編程聯動延時系統和穩定系統，對介質膜反射率變化進行實時探測；計算機連接并控制著電控平移臺和光束穩定系統。

利用所述的介質膜的飛秒激光損傷無損測試裝置進行飛秒激光損傷無損測試的方法，包括如下步驟：

步驟①通過計算機選定攜帶樣品信息光束的探測波長范圍，并通過多通道鎖相放大器等間隔選取多個波長，選取的波長數量與通道數量相同；

步驟②確定掃描次數及各次掃描時間間隔，利用多通道鎖相放大器對反射率變化進行掃描，每次掃描得到一個包含所有波長的數據，全部掃描完成后得到一個包含選定波長范圍內樣品反射率隨泵浦光與探測光延時等間隔變化的數據包；

步驟③通過計算機計算歸一化的反射率變化，以波長、相對延時為自變量x、y，以歸一化的反射率變化為因變量z，做出相應的三維圖像，以不同顏色表示反射率變化為因變量z的大小，即介質膜在寬頻帶脈沖內，歸一化反射率隨入射激光波長、探測光相對泵浦光延時變化圖像；

步驟④選取圖像中顏色變化突出的區域，并在該區域內選擇典型的幾個波長，分別固定波長，以探測光相對于泵浦光延時為橫坐標、歸一化反射率變化為縱坐標，得到該介質膜反射率在這幾個波長的時間分辨特性曲線；

步驟⑤對時間分辨特性曲線進行指數函數擬合，對應的指數即為介質膜材料各能級壽命，比較各個波長對應的材料各能級壽命，得到介質材料缺陷態狀態。

進一步，本發明還包括步驟⑥對三維圖像的各波長對應曲線分別進行傅里葉變換，得到該介質的分子振動頻譜。

通過手動或電動調節由第六反射鏡、第七反射鏡組成的電控平移臺微調光程，調節精度可達到0.1μm，確保泵浦光與探測光光程相同，誤差不超過1cm，使得泵浦光和探測光聚焦至樣品架，使空間位置完全重合。

通過控制第一分束片的分束比及第一可調型階梯濾波片和第二可調型階梯濾波片的光密度，使入射到樣品表面泵浦光能量遠大于探測光能量，但均低于介質膜損傷閾值。

在保證測量高精度的同時，能夠對飛秒激光輻照下的介質膜進行實時無損探測，可對整個脈沖范圍內不同波長對應的歸一化反射率隨探測光相對泵浦光延時變化而變化的數值進行實時探測。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

1)通過飛秒激光泵浦探測、光電信號轉換、計算機labview編程輔助、三維-二維圖像轉換、數據指數擬合、傅里葉變換，可以直觀的看出反射率變化的時間分辨特性，并依此提出了通過反射率變化推導出介質膜的缺陷態及能級壽命。

2)調節精度較高，時域調節精度可達到0.1fs。

3)測量范圍廣，可對整個脈沖范圍內不同波長對應的反射率隨探測光相對泵浦光延時變化而變化的數值進行實時探測。

附圖說明：

圖1是本發明介質膜的飛秒激光損傷測試裝置光路結構示意圖。

圖2是本發明測量繪制的介質膜在不同波長時間分辨的反射率演變的三維圖。

圖3是本發明所得到的典型波長的時間分辨的反射率演變二維圖。

圖4是本發明所得到的介質的分子振動頻譜三維圖。

具體實施方式：

下面結合附圖對本發明進一步說明。但不應以此限制本發明的保護范圍。

圖1是本發明介質膜的飛秒激光損傷測試裝置光路結構示意圖。本發明適用于不同波長及脈寬的飛秒激光損傷測試，可用于介質膜的缺陷態檢測。由脈沖激光器出射的激光入射激光經第一分束片1分成透射光束和反射光束，所述的透射光束經第一反射鏡2、第二反射鏡3、第三反射鏡4反射后，透過第一可調型階梯濾波片5，后依次經第四反射鏡6反射、拋物面鏡16聚焦，作為探測光入射至樣品架17，以此構成了泵浦探測光路中探測光光路部分；所述的反射光束經第五反射鏡7、第六反射鏡9、第七反射鏡10反射后，透過第二可調型階梯濾波片11，經第二分束片12分束后，透射至拋物面鏡16的光束作為泵浦光被聚焦至樣品架17，以此構成了泵浦探測中泵浦光光路部分；第二分束片12反射的光束經第六反射鏡13反射，第一凸透鏡14聚焦入射至光束穩定系統15；所述探測光被樣品架17反射后，攜帶樣品信息經第二凸透鏡18聚焦至多通道鎖相放大器19，產生的電信號由計算機21進行監測；計算機21同時連接并控制著電控平移臺8和光束穩定系統15。

圖2是利用本發明裝置測量nb2o5/sio2介質膜反射率演變繪制成的二維假彩圖，相應顏色對應的數值代表歸一化反射率的改變量。本實例中輸出激光的中心波長800nm，選取的探測信號光譜范圍為760-820nm，該介質膜的損傷閾值為0.11j/cm²。

具體測量過程如下：

1)調節電控平移臺，至泵浦光光程與探測光光程相同，此時樣品架上空間位置完全重合；

2)分別調節泵浦光光路和探測光光路的可調型階梯濾波片，使得計算機上可觀測到相應信號；此時，作用到介質膜表面的泵浦光能量為26.02mj/cm²，探測光能量為4.7mj/cm²，即入射到樣品上的泵浦光能量遠大于探測光能量，且二者均遠低于該膜系的損傷閾值；

3)使用多通道鎖相放大器測量無樣品時的泵浦光及探測光脈沖形狀及在脈沖范圍內不同波長的反射率大小；

4)設定探測光相對于泵浦光的延遲時間在0～30ps的范圍內，步長20fs，探測范圍為760-820nm，對反射率變化進行掃描，每次掃描得到一個包含所有波長的數據，全部掃描完成后得到一個包含選定波長范圍內樣品反射率隨泵浦光與探測光延時等間隔變化的數據包，利用計算機軟件，導入數據并計算歸一化的反射率變化，以波長、相對延時為自變量x、y，以歸一化的反射率變化為因變量z，做出相應的三維圖像，以不同顏色表示z的大小，如圖2所示。

5)根據圖2中數據，可以觀察到在780nm和795nm附近顏色變化明顯，分別選取780.7nm和795.2nm作為典型波長，做出該波長下歸一化反射率變化的時間分辨圖，并對此圖形進行指數擬合，擬合結果如圖3中紅線所示，依此計算得出介質材料的能級壽命、分析缺陷態模型。

6)利用圖2中數據，對各波長對應曲線分別進行傅里葉變換，將各波長變換結果統一繪制在一張圖上，得到介質的分子振動頻譜三維圖，如圖4所示。