基于sCMOS的超快时间分辨阴影成像系统及测试方法与流程

本发明涉及激光加工，尤其涉及一种基于scmos的超快时间分辨阴影成像系统及测试方法。

背景技术：

1、随着社会的发展，高科技设备都向着微型化、小型化的趋势发展。飞秒激光加工技术因此孕育而生，由于其具有持续时间短、功率高、加工精度高、非接触、无污染、无刀具磨损等优点，在微纳加工有着非常重要得应用。飞秒激光加工过程是一个涉及飞秒-皮秒-纳秒-微妙-毫秒-秒等多个时间尺度的物理过程，由于飞秒激光极强的瞬时能量，很多在常规加工方法中本可以忽略的因素也会对飞秒激光加工过程产生影响，如飞秒激光在空气传播时会因为与空气的非线性作用而发生光场分布重整（比如产生光丝），多种影响因素的耦合极大地增加了飞秒激光加工结果的不确定性。飞秒激光的极端物理条件还会在材料加工时产生极端的热力学现象，比如飞秒激光与物质作用过程中电子-晶格的非平衡态（即所谓的双温现象）。再比如飞秒激光光场的超强特性会使得原本透明的材料发生电离，瞬间产生大量自由电子，使其表现出瞬时的金属态。可见飞秒激光与材料之间的作用机理非常复杂，影响因素众多，到目前为止仍然有很多机理属于未知需要探索。因此为了能够更好的控制飞秒激光加工需要更加深入得了解飞秒激光加工的过程。

2、现有技术的阴影成像系统是无法对于超快飞秒激光加工过程进行观测，存在无法观测到很短时间内的监控的问题。现有飞秒激光加工过程中无法观测的两个缺点：（1）加工过程中更短时刻下得材料状态；（2）激光加工过程中等离子体喷发的过程。

技术实现思路

1、本发明主要解决现有技术的阴影成像系统无法观察到更短时间尺度上的技术问题，提出一种基于scmos的超快时间分辨阴影成像系统及测试方法，以达到通过观察ps时间尺度飞秒激光加工过程，从而提高飞秒激光加工的精确性和可靠性的目的。

2、本发明提供了一种基于scmos的超快时间分辨阴影成像系统，包括：飞秒光源模块、光程延迟模块、样品位置观察模块、第一激光倍频模块、第二激光倍频模块、材料测试模块、采集模块和数据处理模块；

3、所述飞秒光源模块，用于输出飞秒脉冲激光并经过分束，形成泵浦光和探测光，并将所述泵浦光发射到第二激光倍频模块，将探测光发送到光程延迟模块；

4、所述光程延迟模块，用于对探测光进行光程调节，之后将探测光发送到第一激光倍频模块；

5、所述样品位置观察模块，用于采集样品的位置成像；

6、所述第一激光倍频模块，用于将探测光从频率为f倍频为f/2，再将探测光准直输出频率为f/2的探测光；

7、所述第二激光倍频模块，用于将泵浦光从频率为f倍频为f/2，再将泵浦光准直输出频率为f/2的泵浦光；

8、所述材料测试模块，用于移动样品并使泵浦光和探测光同时打在样品上，并将散射的泵浦光过滤掉，从而进行测试；

9、所述采集模块包括：scmos相机；所述scmos相机用于采集测试数据；

10、所述数据处理模块包括工控机和计数器，用于对各模块进行控制并对采集的测试数据进行显示。

11、优选的，所述飞秒光源模块，包括：飞秒激光器、电动开关、分束镜、第一反射镜；

12、所述飞秒激光器输出飞秒脉冲激光，经过分束镜，一部分光作为泵浦光，另一部分光作为探测光通过第一反射镜反射到光程延迟模块；

13、所述飞秒激光器和分束镜之间设置电动开关。

14、优选的，所述光程延迟模块，包括：位移平台和安装在位移平台上的多个第二反射镜；

15、所述光程延迟模块对探测光在时间上延迟0—8ns；所述位移平台的移动范围为0-300mm。

16、优选的，所述样品位置观察模块，包括：led光源、第三反射镜、第一半透半反镜、第二平凸透镜和面阵ccd相机；

17、所述led光源发射白光，并将白光通过第三反射镜、第一半透半反镜，照射到材料测试模块的样品位置；

18、所述第一半透半反镜，接收样品位置的反射光，并将该反射光通过第二平凸透镜，由面阵ccd相机成像。

19、优选的，所述第一激光倍频模块，包括：依次设置的第一平凸透镜、第一二倍频晶体、第二平凸透镜、第一滤光片、第一衰减片；

20、所述第一平凸透镜，用于将探测光聚焦；

21、所述第一二倍频晶体，用于将探测光从频率为f倍频为f/2；

22、所述第二平凸透镜，用于将倍频后的探测光进行准直；

23、所述第一滤光片，用于将频率为f的探测光过滤干净；

24、所述第一衰减片可旋转，用于调节探测光的功率。

25、优选的，所述第二激光倍频模块，包括：依次设置的第四反射镜、第四平凸透镜、第二二倍频晶体、第三平凸透镜、第二滤光片、第二衰减片、第二半透半反镜；

26、所述第四反射镜，用于接收并反射泵浦光；

27、所述第四平凸透镜，用于将泵浦光聚焦；

28、所述第二二倍频晶体，用于将泵浦光从频率为f倍频为f/2；

29、所述第三平凸透镜，用于将倍频后的泵浦光进行准直；

30、所述第二滤光片，用于将频率为f的泵浦光过滤干净；

31、所述第二衰减片可旋转，用于调节泵浦光的功率；

32、所述第二半透半反镜将泵浦光发射到材料测试模块中。

33、优选的，所述材料测试模块，包括：反射单元、材料夹持平台、泵浦光聚焦物镜、样品电动三维位移台、第三滤光片；

34、所述样品电动三维位移台上通过材料夹持平台安装样品；

35、所述反射单元，用于将探测光反射到样品上；

36、所述泵浦光聚焦物镜，用于将泵浦光照射到样品上；

37、所述第三滤光片，用于过滤散射的泵浦光。

38、优选的，所述反射单元，包括：第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第三半透半反镜、第八反射镜；

39、所述第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第三半透半反镜在同一条光路上依次设置；

40、所述第八反射镜朝向第三半透半反镜；

41、所述材料测试模块，还包括：连续激光器；所述连续激光器发出的激光照射到第三半透半反镜。

42、优选的，所述scmos相机安装在相机三维位移台上；

43、所述scmos相机上安装连续变焦镜头。

44、对应的，本发明还提供一种根据本发明任意实施例提供的基于scmos的超快时间分辨阴影成像系统的测试方法，包括以下过程：

45、步骤1，将样品安装在样品电动三维位移台上；

46、步骤2，启动基于scmos的超快时间分辨阴影成像系统，飞秒激光器输出同步电信号与计数器进行连接，计数器产生启动电信号与飞秒激光器和scmos相机连接；

47、步骤3，进行泵浦探测或者等离子体测试；

48、当进行泵浦探测时，飞秒激光器输出一个飞秒脉冲激光，飞秒脉冲激光由于经过分束镜分成了两束光，一束作为泵浦光、另一束作为探测光；探测光路经过光程延迟模块，因此探测光会根据设置而与泵浦光存在时间差到达样品表面；scmos相机接收到启动电信号产生相机曝光信号，scmos相机进行曝光采集；

49、当进行等离子体测试时，飞秒激光器输出一个飞秒脉冲激光，输出至样品处，scmos相机接收到启动电信号产生相机曝光信号，scmos相机进行曝光采集；

50、步骤4，得到不同延迟时间下的数据图像，并通过工控机显示。

51、本发明提供的一种基于scmos的超快时间分辨阴影成像系统及测试方法，与现有技术相比具有以下优点：

52、1.泵浦探测模式下能够在ps尺度上观察激光加工过程中，激光作用于材料上材料的变化，然后通过逐帧分析材料的变化从而调整激光的参数来进行更精准、更高效的加工。

53、2.本发明还可以搭配不同波长的激光进行测试，在极短的时间尺度下（ps量级）分析不同波长的激光对于材料加工的影响，从而调节激光加工的光源问题。

54、3.等离子体喷射模式下可以深度的了解待测试材料的等离子体喷射过程及其浓度等相关信息，有利于分析激光加工时等离子体对于加工的影响，如分析等离子体屏蔽对于加工过程的影响。

55、4.等离子体喷射检测模式，可以逐帧分析等离子体喷射的过程，然后调节激光角度，避免因为等离子体吸收光能量，造成激光加工的不稳定。