一种介质膜的飞秒激光损伤无损测试方法及装置与流程

本发明涉及一种用于损伤无损测试方法及装置，特别是介质膜在飞秒激光辐照下缺陷态的测试方法及装置。

背景技术：

随着科技的不断进步，飞秒激光逐渐凸显出越来越多的优势，尤其是高功率飞秒激光，在医疗、信息存储、超精细加工等领域得到广泛应用，发展前景十分广阔。薄膜元件作为飞秒激光系统中的重要组成部分，在大功率高能量激光系统中，其各项特性一直与系统正常有效运行密切相关。随着飞秒激光脉宽逐渐缩短且峰值功率不断增强，为确保系统稳定运行、助力飞秒激光技术发展，应用广泛的薄膜元件的各项特性，尤其是损伤阈值，也亟需提升。

介质膜是大部分薄膜元件的核心组成部分，其损伤特性一直受到广泛关注，对于其损伤阈值的测量也发展出诸多有效方法。飞秒激光损伤反应过程一般极快，不易测量。由于飞秒激光导致的介质膜损伤是一种本征损伤，与介质膜材料的一系列本征特性密切相关，因此对介质膜内部的损伤探测过程十分重要。以往的损伤探测主要集中在显微层面，诸如损伤的阈值、形貌等，而对介质膜内部的过程，尤其是缺陷态的测试关注不多。这主要是由于介质膜各能带间的跃迁过程一般在皮秒至飞秒量级，测量过程对时域尺度要求较高。因此，能够在原子层面观察到物质内部的超快运动过程的飞秒激光，具有极高的测量精度，是探测介质膜损伤过程的有效工具。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题克服上述现有技术的不足，是提供一种介质膜的飞秒激光损伤无损测试方法及装置，能够实现介质膜反射率变化的无损实时连续检测，进一步对介质膜缺陷态进行研究，有助于从对介质膜损伤的本征特性及演变机理进行有效研究。

本发明的技术方案为：

一种介质膜的飞秒激光损伤无损测试装置，其特点在于，包括：第一分束片、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第一可调型阶梯滤波片、第四反射镜、第五反射镜、电控平移台、第六反射镜、第七反射镜、第二可调型阶梯滤波片、第二分束片、第八反射镜、第一凸透镜、光束稳定系统、抛物面镜、供样品放置的样品架、第二凸透镜、多通道锁相放大器、挡光板和计算机；所述的第六反射镜和第七反射镜互成直角放置在所述的电控平移台上；

入射激光经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经所述的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜反射后，入射到所述的第一可调型阶梯滤波片，经该第一可调型阶梯滤波片透射后，依次经所述的第四反射镜和抛物面镜，作为探测光被聚焦至样品，构成泵浦探测光路中探测光部分；所述的反射光束依次经所述的第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜反射后，入射到所述的第二可调型阶梯滤波片，经该第二可调型阶梯滤波片透射后，入射到所述的第二分束片，经该第二分束片分束为第二透射光束和第二反射光束，所述的第二透射光束经所述的抛物面镜聚焦，作为泵浦光被聚焦至样品，构成泵浦探测中泵浦光部分；所述的第二反射光依次经所述的第六反射镜和第一凸透镜后，聚焦入射至光束稳定系统；

所述的探测光被样品反射后，携带样品信息经第二凸透镜聚焦至多通道锁相放大器，并由多通道锁相放大器转换为电信号传至计算机，通过计算机编程联动延时系统和稳定系统，对介质膜反射率变化进行实时探测；计算机连接并控制着电控平移台和光束稳定系统。

利用所述的介质膜的飞秒激光损伤无损测试装置进行飞秒激光损伤无损测试的方法，包括如下步骤：

步骤①通过计算机选定携带样品信息光束的探测波长范围，并通过多通道锁相放大器等间隔选取多个波长，选取的波长数量与通道数量相同；

步骤②确定扫描次数及各次扫描时间间隔，利用多通道锁相放大器对反射率变化进行扫描，每次扫描得到一个包含所有波长的数据，全部扫描完成后得到一个包含选定波长范围内样品反射率随泵浦光与探测光延时等间隔变化的数据包；

步骤③通过计算机计算归一化的反射率变化，以波长、相对延时为自变量x、y，以归一化的反射率变化为因变量z，做出相应的三维图像，以不同颜色表示反射率变化为因变量z的大小，即介质膜在宽频带脉冲内，归一化反射率随入射激光波长、探测光相对泵浦光延时变化图像；

步骤④选取图像中颜色变化突出的区域，并在该区域内选择典型的几个波长，分别固定波长，以探测光相对于泵浦光延时为横坐标、归一化反射率变化为纵坐标，得到该介质膜反射率在这几个波长的时间分辨特性曲线；

步骤⑤对时间分辨特性曲线进行指数函数拟合，对应的指数即为介质膜材料各能级寿命，比较各个波长对应的材料各能级寿命，得到介质材料缺陷态状态。

进一步，本发明还包括步骤⑥对三维图像的各波长对应曲线分别进行傅里叶变换，得到该介质的分子振动频谱。

通过手动或电动调节由第六反射镜、第七反射镜组成的电控平移台微调光程，调节精度可达到0.1μm，确保泵浦光与探测光光程相同，误差不超过1cm，使得泵浦光和探测光聚焦至样品架，使空间位置完全重合。

通过控制第一分束片的分束比及第一可调型阶梯滤波片和第二可调型阶梯滤波片的光密度，使入射到样品表面泵浦光能量远大于探测光能量，但均低于介质膜损伤阈值。

在保证测量高精度的同时，能够对飞秒激光辐照下的介质膜进行实时无损探测，可对整个脉冲范围内不同波长对应的归一化反射率随探测光相对泵浦光延时变化而变化的数值进行实时探测。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)通过飞秒激光泵浦探测、光电信号转换、计算机labview编程辅助、三维-二维图像转换、数据指数拟合、傅里叶变换，可以直观的看出反射率变化的时间分辨特性，并依此提出了通过反射率变化推导出介质膜的缺陷态及能级寿命。

2)调节精度较高，时域调节精度可达到0.1fs。

3)测量范围广，可对整个脉冲范围内不同波长对应的反射率随探测光相对泵浦光延时变化而变化的数值进行实时探测。

附图说明：

图1是本发明介质膜的飞秒激光损伤测试装置光路结构示意图。

图2是本发明测量绘制的介质膜在不同波长时间分辨的反射率演变的三维图。

图3是本发明所得到的典型波长的时间分辨的反射率演变二维图。

图4是本发明所得到的介质的分子振动频谱三维图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进一步说明。但不应以此限制本发明的保护范围。

图1是本发明介质膜的飞秒激光损伤测试装置光路结构示意图。本发明适用于不同波长及脉宽的飞秒激光损伤测试，可用于介质膜的缺陷态检测。由脉冲激光器出射的激光入射激光经第一分束片1分成透射光束和反射光束，所述的透射光束经第一反射镜2、第二反射镜3、第三反射镜4反射后，透过第一可调型阶梯滤波片5，后依次经第四反射镜6反射、抛物面镜16聚焦，作为探测光入射至样品架17，以此构成了泵浦探测光路中探测光光路部分；所述的反射光束经第五反射镜7、第六反射镜9、第七反射镜10反射后，透过第二可调型阶梯滤波片11，经第二分束片12分束后，透射至抛物面镜16的光束作为泵浦光被聚焦至样品架17，以此构成了泵浦探测中泵浦光光路部分；第二分束片12反射的光束经第六反射镜13反射，第一凸透镜14聚焦入射至光束稳定系统15；所述探测光被样品架17反射后，携带样品信息经第二凸透镜18聚焦至多通道锁相放大器19，产生的电信号由计算机21进行监测；计算机21同时连接并控制着电控平移台8和光束稳定系统15。

图2是利用本发明装置测量nb2o5/sio2介质膜反射率演变绘制成的二维假彩图，相应颜色对应的数值代表归一化反射率的改变量。本实例中输出激光的中心波长800nm，选取的探测信号光谱范围为760-820nm，该介质膜的损伤阈值为0.11j/cm²。

具体测量过程如下：

1)调节电控平移台，至泵浦光光程与探测光光程相同，此时样品架上空间位置完全重合；

2)分别调节泵浦光光路和探测光光路的可调型阶梯滤波片，使得计算机上可观测到相应信号；此时，作用到介质膜表面的泵浦光能量为26.02mj/cm²，探测光能量为4.7mj/cm²，即入射到样品上的泵浦光能量远大于探测光能量，且二者均远低于该膜系的损伤阈值；

3)使用多通道锁相放大器测量无样品时的泵浦光及探测光脉冲形状及在脉冲范围内不同波长的反射率大小；

4)设定探测光相对于泵浦光的延迟时间在0～30ps的范围内，步长20fs，探测范围为760-820nm，对反射率变化进行扫描，每次扫描得到一个包含所有波长的数据，全部扫描完成后得到一个包含选定波长范围内样品反射率随泵浦光与探测光延时等间隔变化的数据包，利用计算机软件，导入数据并计算归一化的反射率变化，以波长、相对延时为自变量x、y，以归一化的反射率变化为因变量z，做出相应的三维图像，以不同颜色表示z的大小，如图2所示。

5)根据图2中数据，可以观察到在780nm和795nm附近颜色变化明显，分别选取780.7nm和795.2nm作为典型波长，做出该波长下归一化反射率变化的时间分辨图，并对此图形进行指数拟合，拟合结果如图3中红线所示，依此计算得出介质材料的能级寿命、分析缺陷态模型。

6)利用图2中数据，对各波长对应曲线分别进行傅里叶变换，将各波长变换结果统一绘制在一张图上，得到介质的分子振动频谱三维图，如图4所示。