金属材料表层电子信息无损检测装置和检测方法与流程

本发明涉及金属材料，特别是一种金属材料表层电子信息无损检测装置和检测方法。

背景技术：

金属材料的损伤问题比如老化、疲劳等对于金属使用效果以及使用寿命具有非常重要的影响，对于金属损伤信息的监测，已有多种不同的方法，例如利用微电阻测量夹具装置测量金属材料损伤信息(专利cn105319402a)，利用可调节磁激励阵列测量金属材料损伤信息(专利cn102495129a)等。这些损伤检测技术大多侧重于检测金属材料内部的损伤信息，很少侧重于检测金属材料表面的信息，但是金属材料表面的损伤情况对材料具体性能有着很大的影响，表面缺陷的存在也会直接导致材料使用寿命的下降。此外，现有的技术大都是从宏观的角度了解金属材料的损伤信息，很少有从微观电子角度检测金属材料损伤的相关情况。超短超快脉冲激光技术的出现和发展为研究激光和物质的相互作用带来了突破性的发展，随着激光脉冲脉宽突破了皮秒的限制达到了飞秒领域，超快激光与物质的相互作用出现了一系列新机制、新现象。这些新机制、新现象具有较高的研究意义和较为重要的应用前景。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明公开一种金属材料表层电子信息无损检测装置和检测方法。它可以获取金属表面电子相关的信息。可从微观角度获取金属表面电子缺陷态信息以及电子价带跃迁方式的相关信息，从微观电子跃迁可推导出金属表面损伤的宏观信息，这不仅对金属材料进行激光冲击强化后进行无损检测有重要的帮助，也对基于此探索寻找提升金属激光冲击强化效应的有效途径有着重要的指导意义。

本发明的技术解决方案如下：

一种金属材料表层电子信息无损检测装置，其特点在于其构成包括第一分束片、第一反射镜、第一可变中性密度滤波片、第二分束片、第二反射镜、第三反射镜、电动平移台、第四反射镜、第二可变中性密度滤波片、第五反射镜、抛物面镜、供样品放置的样品架，第一凸透镜、多通道锁相放大器、第二凸透镜、光束质量监测系统、计算机和遮光套筒，所述的第二反射镜和第三反射镜互相垂直地置于所述的电动平移台上构成光束延时装置；

具体光路如下：入射的飞秒激光经过第一分束片分束后，分为透射光与反射光：

所述的反射光经过第一反射镜、第一中性密度滤波片进入第二分束片，该第二分束片将入射光分为反射光部分和透射光部分，其反射光部分经过第二凸透镜聚焦后进入光束质量监测系统，其透射光部分作为泵浦光经过抛物面镜反射后进入样品表面，其反射光打入遮光套筒。所述的光束质量监测系统与计算机相连。

所述的透射光为探测光，探测光经所述的光束延时装置、第四反射镜、第二可变中性密度滤波片、第五反射镜、抛物面镜反射进入样品表面，其反射光经过第一凸透镜聚焦进入所述的多通道锁相放大器。所述的多通道锁相放大器、电动平移台与计算机相连并受到计算机控制，计算机通过多通道锁相放大器获取探测光反射率信息。通过计算机来实现电动平移台的精确调节以实时监测探测光反射率变化信息。

所述的第一分束片的分束比为1:9，以确保探测光能量占泵浦光能量百分比在5％至10％之间。

利用本发明装置测量金属表面电子信息的步骤如下：

步骤①：根据待测金属材料的工作波段确定探测光的波长范围，根据锁相放大器通道数将探测光按波长等分为若干波长份数，波长份数与所述的锁相放大器的通道数相同；

步骤②：调节中性密度滤波片，确定探测光与泵浦光的能量，利用计算机控制电动平移台，使得泵浦光的光程与探测光的光程相同，扫描之前首先用计算机保存探测光光谱作为基底光谱，通过计算机确定扫描次数以及每次扫描之间的时间间隔并定义为t,t最小可达0.1fs。每次扫描可获得各个波长的探测光光谱信息，每次扫描后计算机通过控制电动平移台在延迟光路增加时间t的时间延迟。这样，所有扫描完成后便可以获得泵浦光作用后探测光的实时光谱信息。最小时间间隔为t。利用计算机控制所述的光束质量监测系统，实时监测光束质量；

步骤③：将每次扫描获得的光谱信息与基底光谱信息对比，获得探测光反射率的变化信息，从而获得泵浦光作用后不同波长的探测光反射率随时间的变化信息，做出以波长、延迟时间为自变量，反射率变化为因变量的二维反射率变化图。

步骤④：对二维反射率变化图进行判读：

如果从获取的二维反射率变化图中获取的信息显示探测光反射率产生变化且反射率变化值没有减小的趋势，即可认为材料表面受到损坏；

如果反射率变化随时间变小，可认为金属材料并未收到损伤；

若反射率变化的峰值随着时间的变化而发生变化，则说明金属材料能级间产生了中间电子缺陷态，能级间的电子缺陷态对金属材料的性能有着重要的影响；

步骤⑤：通过平移中性密度滤波片以调节激光入射至滤波片的位置可改变探测光和泵浦光的能量。保持探测光能量不变，改变泵浦光能量，重复步骤①至④，测量不同泵浦光能量下探测光反射率的变化；

步骤⑥：对比不同泵浦光能量下探测光反射率变化信息：

若探测光反射率变化随着能量变化呈现线性变化，这说明金属材料表面电子通过线性吸收即单光子吸收方式获取光子能量；

若呈现非线性变化，那么说明电子通过非线性离化方式即多光子吸收方式吸收光子能量。

测量激光作用下电子的跃迁方式对于研究金属材料高反膜与超快激光的相互作用有着重要的意义。

所述的电动平移台可通过计算机实现精确的调节，以实现探测光光路与泵浦光光路光程相同，以实现探测光与泵浦光在空间上的重合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明装置相较于已有的发明进行了一定程度的简化，设备的搭设与调试方便，方法原理较为简单，更有利于便捷有效的利用飞秒激光对金属材料表面电子信息进行无损检测。

(2)本发明基于测量泵浦光作用于金属材料后探测光反射率随时间的变化来检测金属材料表面的电子信息，包括中间电子缺陷态以及电子跃迁方式等相关信息，并可得到金属材料表面损伤的相关信息。

(3)本发明可从微观角度获取金属表面电子价带跃迁的相关信息，从微观电子跃迁可推导出金属改性或损伤等的宏观信息，这不仅对金属材料进行激光冲击强化后进行无损检测有重要的帮助，也对利用飞秒激光提升金属材料的抗损伤性能有着重要的指导意义。

(4)本发明可调节中性密度滤波片以调节泵浦光能量，可方便地获取不同能量的泵浦光作用下金属材料的表面损伤信息。

附图说明

图1为本发明金属材料表层电子信息无损检测装置的光路结构示意图。

图2为本发明从二维伪色彩光谱图截取的800nm探测激光金属表面的反射率随时间的变化图。

图3为在不同能量的泵浦光下得到的金属表面反射率变化对比图。

图4为根据获得的信息得出的金属材料表面电子跃迁示意图。

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。

请先参见图1，图1为本发明金属材料表层电子信息无损检测装置的光路结构示意图。由图可见，本发明金属材料表层电子信息无损检测装置包括：第一分束片1、第一反射镜2、第一可变中性密度滤波片3、第二分束片4、第二反射镜5、第三反射镜6、电动平移台7、第四反射镜8、第二可变中性密度滤波片8、第五反射镜10、抛物面镜11、供样品放置的样品架12，第一凸透镜13、多通道锁相放大器14、第二凸透镜15、光束质量监测系统16、计算机17、遮光套筒18。

具体光路如下：入射激光经过第一分束片1分束后，分为透射光与反射光两部分。反射光经过第一反射镜2反射后进入第一中性密度滤波片3，透过第一中性密度滤波片3后进入第二分束片4，其反射光部分经过第二凸透镜15聚焦后进入光束质量监测系统16，其透射光部分作为泵浦光经过抛物面镜11反射后进入样品表面，其反射光打入遮光套筒18。光束质量监测系统16与计算机17相连。

激光经过第一分束片1后其透射光部分为探测光，探测光经过互相垂直的第二反射镜5、第三反射镜6反射后，在经过第四反射镜8反射后进入第二可变中性密度滤波片9，再经过第五反射镜10反射后经过抛物面镜11反射进入样品表面，其反射光经过第一凸透镜13聚焦进入多通道锁相放大器14。第二反射镜5、第三反射镜6置于电动平移台7上。多通道锁相放大器14、电动平移台7与计算机17相连并受到计算机17的控制，计算机17通过多通道锁相放大器4获取探测光反射率信息，通过计算机来实现电动平移台7的精确调节以实时监测探测光反射率变化信息。

所述的第一分束片1的分束比为1:9，以确保探测光能量占泵浦光能量百分比在5％至10％之间。

图2至图4为利用飞秒激光对金高反膜表面电子信息进行无损检测获取的数据图。本实施例的金属材料为金高反膜。本实施例入射的飞秒激光的波长为800nm，脉宽为100fs，重复频率为1khz。

利用本发明金属材料表层电子信息无损检测装置对金高反膜表层电子信息无损检测的方法，包括的测量步骤如下：

步骤①：根据金属材料的工作波段确定探测光波长范围为740nm至850nm，将根据锁相放大器通道数将探测光按波长等分为128等份，波长份数与锁相放大器的通道数相同；

步骤②：确定泵浦光的单脉冲能量为4800nj，探测光的单脉冲能量为220nj。利用计算机17控制所述的电动平移台7的运动，使得泵浦光光程与探测光光程相同，扫描之前首先用计算机保存探测光光谱作为基底光谱，通过计算机17确定扫描次数为1800次，每次扫描之间的时间间隔为1fs；每次扫描可获得各个波长的探测光光谱信息，每次扫描后计算机通过控制电动平移台在延迟光路增加1fs的时间延迟。这样，所有扫描完成后便可以获得泵浦光作用后0至2ps时间内探测光的实时光谱信息。利用计算机控制光束质量监测系统，实时监测光束质量。

步骤③：将每次扫描获得的光谱信息与基底光谱信息对比，获得探测光反射率的变化信息，从而获得泵浦光作用后不同波长的探测光反射率随时间的变化信息。做出以波长、延迟时间为自变量，反射率变化为因变量的二维反射率变化图。图中横坐标代表波长，纵坐标代表时间延迟，图中色彩代表了反射率的变化，颜色由浅色至深色代表反射率变化由弱至强，颜色越深代表反射率变化越大。

步骤④：图2为从二维伪色彩图截取的800nm探测激光反射率随时间的变化图。由图2可知，泵浦光作用于反射镜后，探测光反射率在最初的时间内会产生一定程度的下降，经过约2-3ps的时间延迟后，反射率恢复至原样，也就是说，泵浦光对样品的损伤是可恢复性损伤，金属材料表面并未受到损坏；

步骤⑤：通过平移中性密度滤波片以调节激光入射至滤波片的位置，保持探测光能量不变，改变泵浦光单脉冲能量分别为2500nj、3500nj、4500nj、5500nj，重复步骤①至④，测量不同泵浦光能量下探测光反射率的变化；

步骤⑥：图3为利用不同能量的泵浦光得到的探测光反射率变化对比图。从上至下分别为2500nj、3500nj、4500nj、5500nj。从图中获取的信息可知，金膜反射率变化随着能量增长呈现的是一种非线性的增长，在金属表面飞秒激光与金属材料的作用存在着非线性效应，电子通过非线性方式吸收光子能量，即多光子吸收。

图4为根据所获取的信息得出的金膜内电子跃迁的示意图，其中纵坐标表示电子能及能量，横坐标代表电子分布概率，我们从图中可知金膜表面对飞秒激光的吸收不仅体现为单光子吸收，很大一部分体现为双光子吸收，这个新的发现对于提升金膜的抗损伤性能有着重要的意义。