本發(fā)明涉及一種用于損傷無(wú)損測(cè)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(cè)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(lái)越多的優(yōu)勢(shì)，尤其是高功率飛秒激光，在醫(yī)療、信息存儲(chǔ)、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(xiàng)特性一直與系統(tǒng)正常有效運(yùn)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(yùn)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(xiàng)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(duì)于其損傷閾值的測(cè)量也發(fā)展出諸多有效方法。飛秒激光損傷反應(yīng)過(guò)程一般極快，不易測(cè)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(duì)介質(zhì)膜內(nèi)部的損傷探測(cè)過(guò)程十分重要。以往的損傷探測(cè)主要集中在顯微層面，諸如損傷的閾值、形貌等，而對(duì)介質(zhì)膜內(nèi)部的過(guò)程，尤其是缺陷態(tài)的測(cè)試關(guān)注不多。這主要是由于介質(zhì)膜各能帶間的躍遷過(guò)程一般在皮秒至飛秒量級(jí)，測(cè)量過(guò)程對(duì)時(shí)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(yùn)動(dòng)過(guò)程的飛秒激光，具有極高的測(cè)量精度，是探測(cè)介質(zhì)膜損傷過(guò)程的有效工具。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)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(wú)損測(cè)試方法及裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)介質(zhì)膜反射率變化的無(wú)損實(shí)時(shí)連續(xù)檢測(cè)，進(jìn)一步對(duì)介質(zhì)膜缺陷態(tài)進(jìn)行研究，有助于從對(duì)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(wú)損測(cè)試裝置，其特點(diǎn)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(tái)、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(jì)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(tái)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(cè)光被聚焦至樣品，構(gòu)成泵浦探測(cè)光路中探測(cè)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(cè)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(cè)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(hào)傳至計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)編程聯(lián)動(dòng)延時(shí)系統(tǒng)和穩(wěn)定系統(tǒng)，對(duì)介質(zhì)膜反射率變化進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)；計(jì)算機(jī)連接并控制著電控平移臺(tái)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(wú)損測(cè)試裝置進(jìn)行飛秒激光損傷無(wú)損測(cè)試的方法，包括如下步驟：

步驟①通過(guò)計(jì)算機(jī)選定攜帶樣品信息光束的探測(cè)波長(zhǎng)范圍，并通過(guò)多通道鎖相放大器等間隔選取多個(gè)波長(zhǎng)，選取的波長(zhǎng)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(shí)間間隔，利用多通道鎖相放大器對(duì)反射率變化進(jìn)行掃描，每次掃描得到一個(gè)包含所有波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，全部掃描完成后得到一個(gè)包含選定波長(zhǎng)范圍內(nèi)樣品反射率隨泵浦光與探測(cè)光延時(shí)等間隔變化的數(shù)據(jù)包；

步驟③通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算歸一化的反射率變化，以波長(zhǎng)、相對(duì)延時(shí)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(zhǎng)、探測(cè)光相對(duì)泵浦光延時(shí)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(gè)波長(zhǎng)，分別固定波長(zhǎng)，以探測(cè)光相對(duì)于泵浦光延時(shí)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(gè)波長(zhǎng)的時(shí)間分辨特性曲線；

步驟⑤對(duì)時(shí)間分辨特性曲線進(jìn)行指數(shù)函數(shù)擬合，對(duì)應(yīng)的指數(shù)即為介質(zhì)膜材料各能級(jí)壽命，比較各個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的材料各能級(jí)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(duì)三維圖像的各波長(zhǎng)對(duì)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(dòng)頻譜。

通過(guò)手動(dòng)或電動(dòng)調(diào)節(jié)由第六反射鏡、第七反射鏡組成的電控平移臺(tái)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(cè)光光程相同，誤差不超過(guò)1cm，使得泵浦光和探測(cè)光聚焦至樣品架，使空間位置完全重合。

通過(guò)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(cè)光能量，但均低于介質(zhì)膜損傷閾值。

在保證測(cè)量高精度的同時(shí)，能夠?qū)︼w秒激光輻照下的介質(zhì)膜進(jìn)行實(shí)時(shí)無(wú)損探測(cè)，可對(duì)整個(gè)脈沖范圍內(nèi)不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的歸一化反射率隨探測(cè)光相對(duì)泵浦光延時(shí)變化而變化的數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1)通過(guò)飛秒激光泵浦探測(cè)、光電信號(hào)轉(zhuǎn)換、計(jì)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(shí)間分辨特性，并依此提出了通過(guò)反射率變化推導(dǎo)出介質(zhì)膜的缺陷態(tài)及能級(jí)壽命。

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

3)測(cè)量范圍廣，可對(duì)整個(gè)脈沖范圍內(nèi)不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的反射率隨探測(cè)光相對(duì)泵浦光延時(shí)變化而變化的數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)。

附圖說(shuō)明：

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

圖2是本發(fā)明測(cè)量繪制的介質(zhì)膜在不同波長(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)的時(shí)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(dòng)頻譜三維圖。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)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(cè)試裝置光路結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明適用于不同波長(zhǎng)及脈寬的飛秒激光損傷測(cè)試，可用于介質(zhì)膜的缺陷態(tài)檢測(cè)。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(guò)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(cè)光入射至樣品架17，以此構(gòu)成了泵浦探測(cè)光路中探測(cè)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(guò)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(cè)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(cè)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(hào)由計(jì)算機(jī)21進(jìn)行監(jiān)測(cè)；計(jì)算機(jī)21同時(shí)連接并控制著電控平移臺(tái)8和光束穩(wěn)定系統(tǒng)15。

圖2是利用本發(fā)明裝置測(cè)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(duì)應(yīng)的數(shù)值代表歸一化反射率的改變量。本實(shí)例中輸出激光的中心波長(zhǎng)800nm，選取的探測(cè)信號(hào)光譜范圍為760-820nm，該介質(zhì)膜的損傷閾值為0.11j/cm²。

具體測(cè)量過(guò)程如下：

1)調(diào)節(jié)電控平移臺(tái)，至泵浦光光程與探測(cè)光光程相同，此時(shí)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(cè)光光路的可調(diào)型階梯濾波片，使得計(jì)算機(jī)上可觀測(cè)到相應(yīng)信號(hào)；此時(shí)，作用到介質(zhì)膜表面的泵浦光能量為26.02mj/cm²，探測(cè)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(cè)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(cè)量無(wú)樣品時(shí)的泵浦光及探測(cè)光脈沖形狀及在脈沖范圍內(nèi)不同波長(zhǎng)的反射率大?。?/p>

4)設(shè)定探測(cè)光相對(duì)于泵浦光的延遲時(shí)間在0～30ps的范圍內(nèi)，步長(zhǎng)20fs，探測(cè)范圍為760-820nm，對(duì)反射率變化進(jìn)行掃描，每次掃描得到一個(gè)包含所有波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，全部掃描完成后得到一個(gè)包含選定波長(zhǎng)范圍內(nèi)樣品反射率隨泵浦光與探測(cè)光延時(shí)等間隔變化的數(shù)據(jù)包，利用計(jì)算機(jī)軟件，導(dǎo)入數(shù)據(jù)并計(jì)算歸一化的反射率變化，以波長(zhǎng)、相對(duì)延時(shí)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(zhǎng)，做出該波長(zhǎng)下歸一化反射率變化的時(shí)間分辨圖，并對(duì)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(jì)算得出介質(zhì)材料的能級(jí)壽命、分析缺陷態(tài)模型。

6)利用圖2中數(shù)據(jù)，對(duì)各波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)曲線分別進(jìn)行傅里葉變換，將各波長(zhǎng)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(dòng)頻譜三維圖，如圖4所示。