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

背景技術(shù)：

隨著科技的不斷進(jìn)步，飛秒激光逐漸凸顯出越來越多的優(yōu)勢，尤其是高功率飛秒激光，在醫(yī)療、信息存儲、超精細(xì)加工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，發(fā)展前景十分廣闊。薄膜元件作為飛秒激光系統(tǒng)中的重要組成部分，在大功率高能量激光系統(tǒng)中，其各項特性一直與系統(tǒng)正常有效運行密切相關(guān)。隨著飛秒激光脈寬逐漸縮短且峰值功率不斷增強(qiáng)，為確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行、助力飛秒激光技術(shù)發(fā)展，應(yīng)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(zhì)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(guān)注，對于其損傷閾值的測量也發(fā)展出諸多有效方法。飛秒激光損傷反應(yīng)過程一般極快，不易測量。由于飛秒激光導(dǎo)致的介質(zhì)膜損傷是一種本征損傷，與介質(zhì)膜材料的一系列本征特性密切相關(guān)，因此對介質(zhì)膜內(nèi)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(zhì)膜內(nèi)部的過程，尤其是缺陷態(tài)的測試關(guān)注不多。這主要是由于介質(zhì)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(zhì)內(nèi)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(zhì)膜損傷過程的有效工具。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，是提供一種介質(zhì)膜的飛秒激光損傷無損測試方法及裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)介質(zhì)膜反射率變化的無損實時連續(xù)檢測，進(jìn)一步對介質(zhì)膜缺陷態(tài)進(jìn)行研究，有助于從對介質(zhì)膜損傷的本征特性及演變機(jī)理進(jìn)行有效研究。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種介質(zhì)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(diào)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(diào)型階梯濾波片、第二分束片、第八反射鏡、第一凸透鏡、光束穩(wěn)定系統(tǒng)、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(jī)；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(jīng)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(jīng)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(diào)型階梯濾波片，經(jīng)該第一可調(diào)型階梯濾波片透射后，依次經(jīng)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(gòu)成泵浦探測光路中探測光部分；所述的反射光束依次經(jīng)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(diào)型階梯濾波片，經(jīng)該第二可調(diào)型階梯濾波片透射后，入射到所述的第二分束片，經(jīng)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(jīng)所述的拋物面鏡聚焦，作為泵浦光被聚焦至樣品，構(gòu)成泵浦探測中泵浦光部分；所述的第二反射光依次經(jīng)所述的第六反射鏡和第一凸透鏡后，聚焦入射至光束穩(wěn)定系統(tǒng)；

所述的探測光被樣品反射后，攜帶樣品信息經(jīng)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(zhuǎn)換為電信號傳至計算機(jī)，通過計算機(jī)編程聯(lián)動延時系統(tǒng)和穩(wěn)定系統(tǒng)，對介質(zhì)膜反射率變化進(jìn)行實時探測；計算機(jī)連接并控制著電控平移臺和光束穩(wěn)定系統(tǒng)。

利用所述的介質(zhì)膜的飛秒激光損傷無損測試裝置進(jìn)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(jī)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(shù)量與通道數(shù)量相同；

步驟②確定掃描次數(shù)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(jìn)行掃描，每次掃描得到一個包含所有波長的數(shù)據(jù)，全部掃描完成后得到一個包含選定波長范圍內(nèi)樣品反射率隨泵浦光與探測光延時等間隔變化的數(shù)據(jù)包；

步驟③通過計算機(jī)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(yīng)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(zhì)膜在寬頻帶脈沖內(nèi)，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(qū)域，并在該區(qū)域內(nèi)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(biāo)、歸一化反射率變化為縱坐標(biāo)，得到該介質(zhì)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(jìn)行指數(shù)函數(shù)擬合，對應(yīng)的指數(shù)即為介質(zhì)膜材料各能級壽命，比較各個波長對應(yīng)的材料各能級壽命，得到介質(zhì)材料缺陷態(tài)狀態(tài)。

進(jìn)一步，本發(fā)明還包括步驟⑥對三維圖像的各波長對應(yīng)曲線分別進(jìn)行傅里葉變換，得到該介質(zhì)的分子振動頻譜。

通過手動或電動調(diào)節(jié)由第六反射鏡、第七反射鏡組成的電控平移臺微調(diào)光程，調(diào)節(jié)精度可達(dá)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(diào)型階梯濾波片和第二可調(diào)型階梯濾波片的光密度，使入射到樣品表面泵浦光能量遠(yuǎn)大于探測光能量，但均低于介質(zhì)膜損傷閾值。

在保證測量高精度的同時，能夠?qū)︼w秒激光輻照下的介質(zhì)膜進(jìn)行實時無損探測，可對整個脈沖范圍內(nèi)不同波長對應(yīng)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(shù)值進(jìn)行實時探測。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)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(zhuǎn)換、計算機(jī)labview編程輔助、三維-二維圖像轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)指數(shù)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(dǎo)出介質(zhì)膜的缺陷態(tài)及能級壽命。

2)調(diào)節(jié)精度較高，時域調(diào)節(jié)精度可達(dá)到0.1fs。

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

附圖說明：

圖1是本發(fā)明介質(zhì)膜的飛秒激光損傷測試裝置光路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明測量繪制的介質(zhì)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(fā)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(fā)明所得到的介質(zhì)的分子振動頻譜三維圖。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明。但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

圖1是本發(fā)明介質(zhì)膜的飛秒激光損傷測試裝置光路結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)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(zhì)膜的缺陷態(tài)檢測。由脈沖激光器出射的激光入射激光經(jīng)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(jīng)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(diào)型階梯濾波片5，后依次經(jīng)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(gòu)成了泵浦探測光路中探測光光路部分；所述的反射光束經(jīng)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(diào)型階梯濾波片11，經(jīng)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(gòu)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(jīng)第六反射鏡13反射，第一凸透鏡14聚焦入射至光束穩(wěn)定系統(tǒng)15；所述探測光被樣品架17反射后，攜帶樣品信息經(jīng)第二凸透鏡18聚焦至多通道鎖相放大器19，產(chǎn)生的電信號由計算機(jī)21進(jìn)行監(jiān)測；計算機(jī)21同時連接并控制著電控平移臺8和光束穩(wěn)定系統(tǒng)15。

圖2是利用本發(fā)明裝置測量nb2o5/sio2介質(zhì)膜反射率演變繪制成的二維假彩圖，相應(yīng)顏色對應(yīng)的數(shù)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(zhì)膜的損傷閾值為0.11j/cm²。

具體測量過程如下：

1)調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)泵浦光光路和探測光光路的可調(diào)型階梯濾波片，使得計算機(jī)上可觀測到相應(yīng)信號；此時，作用到介質(zhì)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(yuǎn)大于探測光能量，且二者均遠(yuǎn)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(nèi)不同波長的反射率大小；

4)設(shè)定探測光相對于泵浦光的延遲時間在0～30ps的范圍內(nèi)，步長20fs，探測范圍為760-820nm，對反射率變化進(jìn)行掃描，每次掃描得到一個包含所有波長的數(shù)據(jù)，全部掃描完成后得到一個包含選定波長范圍內(nèi)樣品反射率隨泵浦光與探測光延時等間隔變化的數(shù)據(jù)包，利用計算機(jī)軟件，導(dǎo)入數(shù)據(jù)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(yīng)的三維圖像，以不同顏色表示z的大小，如圖2所示。

5)根據(jù)圖2中數(shù)據(jù)，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(jìn)行指數(shù)擬合，擬合結(jié)果如圖3中紅線所示，依此計算得出介質(zhì)材料的能級壽命、分析缺陷態(tài)模型。

6)利用圖2中數(shù)據(jù)，對各波長對應(yīng)曲線分別進(jìn)行傅里葉變換，將各波長變換結(jié)果統(tǒng)一繪制在一張圖上，得到介質(zhì)的分子振動頻譜三維圖，如圖4所示。