一种高空间分辨的超快过程成像装置的制作方法

本发明涉及成像设备技术领域，尤其涉及一种高空间分辨的超快过程成像装置。

背景技术：

光与物质的相互作用是近代光学的研究热点之一。随着激光技术的发展，人们发现激光照射材料后，能够在表面诱导多种周期结构。纳秒脉冲激光能够诱导与波长相近的周期条纹结构，飞秒脉冲激光能够诱导远小于激光波长的条纹结构，超短脉冲激光诱导材料表面结构的演化过程及形成机理是一个非常重要、急待解决的问题。

一般来说，材料表面结构在激光脉冲照射后约100ps内形成，之后在几纳秒内冷却固化。这一时间尺度的演化过程对于电子设备而言是无法观测的。目前，判断激光诱导材料表面结构的演化过程的主要技术有：(1)由材料表面的最终结构形状、周期、深浅及占空比等参数推测结构的演化过程及机理；(2)利用泵浦-探测技术测量表面周期结构形成过程中的超快时间分辨的衍射光谱，推测表面结构的形成过程；(3)通过泵浦-探测成像技术，使用两束非共线的超快脉冲激光对材料表面结构的演化过程进行成像观测。

在上述现有技术(1)和(2)中，由于无法直观观测到材料表面结构的形成过程，从而在推测判断结构的演化过程及形成机理时存在一定的不确定性。在上述现有技术(3)中，两束光(激发光、照明光)为非共线传播并汇聚到样品表面同一点，这一方法增加了技术的实施难度，并且影响了成像系统的数值孔径，减小了该方法的空间分辨率，难以观测到微小结构的形成过程。

技术实现要素：

本发明主要是解决现有技术中所存在的技术问题，从而提供一种高空间分辨的超快过程成像装置，不仅能对激光诱导材料表面结构的演化过程进行超快成像，还能够大大地提高成像的空间分辨率，实现观测微小结构的形成过程。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

本发明提供的高空间分辨的超快过程成像装置，包括光源，其还包括沿所述光源的光束传播方向依次设置的：电子快门、第一半波片、格兰棱镜和第一分束片；

所述第一分束片的反射光束传播方向依次设置有：第一全反光镜、延时光路系统、第一汇聚透镜、装满水的比色皿、第二汇聚透镜、第一滤光片和第二分束片；其中，所述第一分束片的反射光束经所述第一全反光镜反射至所述延时光路系统，所述延时光路系统的出射光经所述第一汇聚透镜聚焦照射在装满水的比色皿中，所述装满水的比色皿用于将所述延时光路系统的出射光调制成短脉冲超连续谱白光和其他光束，所述第二汇聚透镜用于将所述短脉冲超连续谱白光和其他光束变成平行光，且所述第一滤光片用于滤掉所述其他光束；

所述第一分束片的透射光束传播方向上还设有第二全反光镜，所述第二全反光镜用于将所述第一分束片的透射光束反射至所述第二分束片上；

所述第二分束片的反射光束和透射光束分别作为激发光脉冲和照明光脉冲照射入显微成像系统的进光口，其中，所述激发光脉冲和照明光脉冲沿同一直线传播。

进一步地，所述显微成像系统的内部沿所述进光口光束传播方向设置有第三分束片，所述第三分束片的反射光束传播方向依次设置有显微物镜和载物台，所述载物台上放置有样品；所述第三分束片的透射光束传播方向还依次设置有第二滤光片和CCD成像系统。

进一步地，所述第三分束片和所述载物台之间还设有发散透镜。

进一步地，所述第一分束片的反射光束和折射光束能量比为1：5。

进一步地，所述样品为BBO晶体、半导体和电介质。

本发明的有益效果在于：通过在第一分束片的反射光束传播方向上依次设置第一全反光镜、延时光路系统、第一汇聚透镜、装满水的比色皿、第二汇聚透镜、第一滤光片和第二分束片形成照明光脉冲，在第一分束片的透射光束传播方向上还设有第二全反光镜形成激发光脉冲，激发光脉冲与照明光脉冲调整至共线传播，共同进入显微成像系统，其避免了不同光束传播方向的问题，空间分辨率能达到～10²nm的量级，时间分辨率能达到1ps，具有超高时间、空间分辨的优点。同时，能够观察到现有电子设备、技术手段很难看到的微小结构的超快过程，将实际可视化的尺度向更小、更快的方向进行拓展。本发明还具有结构简单、调节方便，共线光束的调节需要更少的光学元器件，光路的调节也更加便捷的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的高空间分辨的超快过程成像装置的结构示意图；

图2中，图2a和图2b分别是本发明的高空间分辨的超快过程成像装置的无发散透镜和有发散透镜对烧蚀结果的影响效果图；

图3是本发明的高空间分辨的超快过程成像装置的演化过程效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明的主要构思是：将激发光脉冲与照明光脉冲共线传播并汇聚到样品表面同一点，通过收集样品表面反射光进行成像。由于激发脉冲与照明脉冲沿同一直线传播并进入显微成像系统，因此可以选择大数值孔径的显微物镜，从而提高样品表面成像的空间分辨率。同时，通过延时系统可以调节激发光脉冲与照明光脉冲的时间间隔(即不同的成像时刻)，从而对激光诱导材料表面结构的超快演化过程进行成像。

参阅图1所示，本发明的高空间分辨的超快过程成像装置，包括光源1，其还包括沿光源1的光束传播方向依次设置的：电子快门2、第一半波片3、格兰棱镜4和第一分束片21；控制电子快门2的开合时间即可调节单个光脉冲通过并进行成像，而第一半波片3和格兰棱镜4主要用于调节光脉冲的能量和偏振方向；

第一分束片21的反射光束传播方向依次设置有：第一全反光镜5、延时光路系统6、第一汇聚透镜7、装满水的比色皿8、第二汇聚透镜9、第一滤光片10和第二分束片11；其中，第一分束片21的反射光束经第一全反光镜5反射至延时光路系统6，延时光路系统6的出射光经第一汇聚透镜7聚焦照射在装满水的比色皿8中，装满水的比色皿8由于自相位调制效应，可以将延时光路系统6的出射光调制成短脉冲超连续谱白光和其他光束，第二汇聚透镜9用于将短脉冲超连续谱白光和其他光束变成平行光，且第一滤光片10用于滤掉其他光束，剩余短脉冲超连续谱白光照射至第二分束片11上；

第一分束片21的透射光束传播方向上还设有第二全反光镜12，第二全反光镜12用于将第一分束片21的透射光束反射至第二分束片11上；

第二分束片11的反射光束和透射光束分别作为激发光脉冲和照明光脉冲照射入显微成像系统13的进光口，其中，激发光脉冲和照明光脉冲沿同一直线传播。

本发明中，通过控制延时光路系统6可以调节照明光脉冲与激发光脉冲间的时间间隔，即可以拍摄激发光脉冲照射后不同时刻的样品表面形貌以确定材料表面结构形成的演化过程。

具体地，显微成像系统13的内部沿进光口光束传播方向设置有第三分束片14，第三分束片14的反射光束传播方向依次设置有显微物镜15和载物台16，载物台16上放置有样品17；第三分束片14的透射光束传播方向还依次设置有第二滤光片18和CCD成像系统19。其中，为了使共线传播的激发光脉冲和照明光脉冲发散，以增加样品17表面的光斑照射面积。第三分束片14和载物台16之间还设有发散透镜20。图2中，图2a和图2b分别为无发散透镜20和有发散透镜20两种情况下样品17的表面照射(烧蚀)光斑情况。

本发明中，激发光脉冲与样品17相互作用诱导表面结构形成，照明光脉冲作为成像光源。表面反射光(激发光脉冲和照明光脉冲)沿原路经显微物镜15、发散透镜20和第三分束片14透射，并照射至第二滤光片18，第二滤光片18滤掉光束中激发光脉冲的部分，剩余的照明光脉冲携带样品17的表面结构信息照射至CCD成像系统19后拍照成像。

本发明中，为了调节照明光脉冲与激发光脉冲的能量比，达到最佳的成像效果，第一分束片21的反射光束和折射光束能量比为1：5。而样品17可以为BBO晶体、半导体和电介质等。

当样品17为BBO晶体，调节第一半波片3使激光能量减小至BBO晶体的破坏阈值以下，观察BBO晶体后的非线性光信号判断激发光脉冲和照明光脉冲的时间间隔。通过调节延时光路系统6使激发光脉冲和照明光脉冲同时到达样品17，并作为时间延迟零点。

当样品17为半导体、电介质等材料，调节第一半波片3和格兰棱镜4使激光能量至适当范围。调节电子快门2的开合时间以挑选单个激光脉冲(由光源1出射)。调节CCD成像系统19的积分时间以覆盖照明光脉冲持续时间，激光脉冲照射后，将CCD成像系统19所得图像保存。

调节延时光路系统6以改变激发光脉冲和照明光脉冲间的时间间隔，具体时间间隔△t可由延时光路系统6中的移动距离d和光速c进行准确计算(△t＝2d/c)。记录不同时间间隔△t下样品表面形貌的显微图像，从而得到脉冲激光诱导材料表面结构形成的演化过程。

具体地，以800nm、40fs，1kHz的钛为例：蓝宝石激光器产生飞秒激光脉冲，激发光脉冲宽度为40fs，照明光脉冲宽度约为1ps，给出了单个飞秒激光脉冲照射S i晶体表面结构形成的演化过程图像如图3所示，(a)图所示0ps表示激发光脉冲和照明光脉冲同时到达样品表面，材料变化需要一定的响应时间，因此(a)图所示为平滑的样品表面。(b)图所示1ps表示激发光脉冲与照明光脉冲间的时间间隔，即(b)图为激发光脉冲照射后1ps时样品表面的成像图像，图中反射率的变化是由于激光诱导样品表面等离子体的产生所致。(c)图和(d)图显示随着时间延迟，由于样品表面融化而使反射率进一步增加。(e)图观察到样品表面出现颗粒状表面结构。随着时间延续，样品表面结构变得更加丰富、清晰。比较1500ps和凝固后的样品表面照片((h)图、(i)图)，两图中样品表面结构基本一致，可知材料表面结构在纳秒的时间尺度上已经基本演化形成。

综上所述，本发明的优点在于：

通过在第一分束片21的反射光束传播方向上依次设置第一全反光镜5、延时光路系统6、第一汇聚透镜7、装满水的比色皿8、第二汇聚透镜9、第一滤光片10和第二分束片11形成照明光脉冲，在第一分束片21的透射光束传播方向上还设有第二全反光镜12形成激发光脉冲，激发光脉冲与照明光脉冲调整至共线传播，共同进入显微成像系统，其避免了不同光束传播方向的问题，空间分辨率能达到～10²nm的量级，时间分辨率能达到1ps，具有超高时间、空间分辨的优点。同时，能够观察到现有电子设备、技术手段很难看到的微小结构的超快过程，将实际可视化的尺度向更小、更快的方向进行拓展。本发明还具有结构简单、调节方便，共线光束的调节需要更少的光学元器件，光路的调节也更加便捷的优点。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。