專利名稱：雙延遲位移平臺飛秒激光瞬態(tài)熱反射系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明基于泵浦探測瞬態(tài)熱反射技術(shù)，按技術(shù)領(lǐng)域分類屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著激光鎖模技術(shù)的發(fā)展，飛秒激光泵浦探測技術(shù)被廣泛應(yīng)用于微納米尺度材料熱物性的測量。在這種技術(shù)中，泵浦光和探測光到達樣品典型延遲時間范圍為Ons 4ns，這個時間延遲范圍使得對于較厚金屬材料、較小熱擴散率和較小界面熱導(dǎo)材料的熱物性難以測量。當(dāng)兩者延遲時間超過4ns時，由于延遲位移平臺機械精度的限制以及光束的發(fā)散，很難保障探測光束校準和準直，從而降低測量數(shù)據(jù)的可信度。為了解決這個問題，Capinski等采用單模光纖方法降低了光束的校準和準直難度，但是對于長延遲時間仍舊沒有得到很好解決。Taketoshi等采用電調(diào)制的方法避免了機械延遲位移平臺帶來的缺陷，但是這種方法需要兩臺激光器，價格昂貴。其它一些改進方法要么是應(yīng)用范圍有限，要么是調(diào)整過程復(fù)雜，使用不便。為了降低探測光束校準和準直難度，本發(fā)明采用了雙延遲位移平臺，其主要特點是:在原有光路的基礎(chǔ)上，在泵浦光路上同時添加一個延遲位移平臺，這樣系統(tǒng)的延遲時間可以增加一倍，而光路調(diào)整難度卻不變，同時具有檢測數(shù)據(jù)功能。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題:本發(fā)明目的是在不增加光路調(diào)整難度前提下，提供一種雙延遲位移平臺飛秒激光瞬態(tài)熱反射系統(tǒng)，在泵浦光路增加一個延遲位移平臺達到增大延遲時間的目的，從而提聞測量精度。技術(shù)方案:所采用的技術(shù)方案是:本發(fā)明提供了一種雙延遲位移平臺飛秒激光瞬態(tài)熱反射系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括激光器，用于輸出光束；分束器，用于將激光器輸出光束分成兩束，一束為泵浦光，用以加熱樣品，另外一束是探測光，用以探測樣品表面溫度變化；在泵浦光路:起偏器，用于將激光器輸出的水平線性偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪本€性偏振光；泵浦光第一凸透鏡，用于聚焦經(jīng)起偏器輸出的垂直線性偏振光，并進入聲光調(diào)制器；聲光調(diào)制器，用于調(diào)制泵浦光，此時，泵浦光加載調(diào)制頻率；可調(diào)光闌，用于將聲光調(diào)制器輸出+1級光束通過而阻擋其它分級光束；泵浦光第一擴束準直透鏡，用于調(diào)節(jié)聲光調(diào)制器輸出激光光束，使其變?yōu)榉糯鬁手惫馐?；泵浦光第一反射鏡，用于將通過泵浦光第一擴束準直透鏡處理的準直光束進行反射偏轉(zhuǎn)，并投射到泵浦光延遲位移平臺上的泵浦光第三反射鏡；
泵浦光直角棱鏡，從泵浦光第三反射鏡出來的光束，經(jīng)過泵浦光直角棱鏡反轉(zhuǎn)后進入泵浦光第四反射鏡；泵浦光第四反射鏡，泵浦光進入泵浦光第四反射鏡再次反轉(zhuǎn)進入泵浦光第二反射鏡;泵浦光第二反射鏡，用于反射偏轉(zhuǎn)泵浦光，并投射到泵浦光第二擴束準直透鏡，此時，泵浦光束再次被準直放大并投射到泵浦光第五反射鏡；泵浦光第五反射鏡，用于反射偏轉(zhuǎn)泵浦光，并投射到泵浦光第二凸透鏡；泵浦光第二凸透鏡，投射到泵浦光第二凸透鏡光束聚焦到樣品表面，完成樣品加熱功能；在探測光路:探測光第一擴束準直透鏡，從分束器輸出的激光光束，經(jīng)過探測光第一擴束準直透鏡變成放大準直光束并投射到探測光第二反射鏡；探測光第二反射鏡，用于反射偏轉(zhuǎn)探測光，并投射到探測光延遲位移平臺上探測光第四反射鏡；探測光直角棱鏡，從探測光第四反射鏡出來的探測光束進入探測光直角棱鏡反轉(zhuǎn)后回射到探測光第三反射鏡；探測光第一反射鏡，從探測光第三反射鏡出來的探測光束投射到探測光第一反射鏡反射偏轉(zhuǎn)后進入探測光第二擴束準直透鏡，完成探測光再次準直放大；探測光第一凸透鏡，接收探測光第二擴束準直透鏡出來的光束并聚焦到樣品表面泵浦光加熱中心。優(yōu)選的，泵浦光擴束準直由泵浦光第一擴束準直透鏡調(diào)節(jié)。優(yōu)選的，探測光擴束準直由探測光第一擴束準直透鏡調(diào)節(jié)。有益效果:本發(fā)明采用上述技術(shù)方案后有益效果是:1、本發(fā)明在不增加光路調(diào)整難度的前提下增大了延遲時間，提高了測量精度。不僅可以用于短延遲時間測量，也可以用于較長延遲時間測量。2、可以檢測較短延遲時間測量數(shù)據(jù)準確性。如果在4ns處，兩次測量數(shù)據(jù)能夠很好銜接，說明前4ns測量數(shù)據(jù)是正確的。


圖1為本發(fā)明實施例中結(jié)構(gòu)示意中:1、鈦藍寶石脈沖飛秒激光器，2、分束器，3、待測樣品，4、起偏器，5、泵浦光第一凸透鏡，6、聲光調(diào)制器,7、可調(diào)光闌,8、泵浦光第一擴束準直透鏡,9、泵浦光第一反射鏡，10、泵浦光第二反射鏡，11、泵浦光直角棱鏡，12、泵浦光第二擴束準直透鏡，13、泵浦光延遲位移平臺，14、泵浦光第三反射鏡，15、泵浦光第四反射鏡，16、泵浦光第五反射鏡，17、泵浦光第二凸透鏡，18、光電探測器，19、檢偏器，20、探測光縮束透鏡，21、探測光第二擴束透鏡，22、探測光第一反射鏡,23、探測光第一凸透鏡,24、光擋板,25、探測光第二反射鏡,26、探測光直角棱鏡，27、探測光第一擴束準直透鏡，28、探測光第三反射鏡，29、探測光第四反射鏡，30、探測光延遲位移平臺。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明做進一步說明。本發(fā)明提供的一種雙延遲位移平臺飛秒激光瞬態(tài)熱反射系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括激光器I，用于輸出光束；分束器2,用于將激光器I輸出光束分成兩束,一束為泵浦光,用以加熱樣品，另外一束是探測光，用以探測樣品表面溫度變化；在泵浦光路:起偏器4，用于將激光器I輸出的水平線性偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪本€性偏振光；泵浦光第一凸透鏡5，用于聚焦經(jīng)起偏器4輸出的垂直線性偏振光，并進入聲光調(diào)制器6 ；聲光調(diào)制器6，用于調(diào)制泵浦光，此時，泵浦光加載調(diào)制頻率；可調(diào)光闌7，用于將聲光調(diào)制器6輸出+1級光束通過而阻擋其它分級光束；泵浦光第一擴束準直透鏡8,用于調(diào)節(jié)聲光調(diào)制器6輸出激光光束,使其變?yōu)榉糯鬁手惫馐?；泵浦光第一反射鏡9，用于將通過泵浦光第一擴束準直透鏡8處理的準直光束進行反射偏轉(zhuǎn)，并投射到泵浦光延遲位移平臺13上的泵浦光第三反射鏡14 ；泵浦光直角棱鏡11，從泵浦光第三反射鏡14出來的光束，經(jīng)過泵浦光直角棱鏡11反轉(zhuǎn)后進入泵浦光第四反射鏡15 ；泵浦光第四反射鏡15，泵浦光進入泵浦光第四反射鏡15再次反轉(zhuǎn)進入泵浦光第二反射鏡10 ；泵浦光第二反射鏡10，用于反射偏轉(zhuǎn)泵浦光，并投射到泵浦光第二擴束準直透鏡12，此時，泵浦光束再次被準直放大并投射到泵浦光第五反射鏡16 ；泵浦光第五反射鏡16，用于反射偏轉(zhuǎn)泵浦光，并投射到泵浦光第二凸透鏡17 ；泵浦光第二凸透鏡17，投射到泵浦光第二凸透鏡17光束聚焦到樣品表面，完成樣品加熱功能；在探測光路:探測光第一擴束準直透鏡27，從分束器2輸出的激光光束，經(jīng)過探測光第一擴束準直透鏡27變成放大準直光束并投射到探測光第二反射鏡25 ；探測光第二反射鏡25，用于反射偏轉(zhuǎn)探測光，并投射到探測光延遲位移平臺30上探測光第四反射鏡29;探測光直角棱鏡26，從探測光第四反射鏡29出來的探測光束進入探測光直角棱鏡26反轉(zhuǎn)后回射到探測光第三反射鏡28 ；探測光第一反射鏡22，從探測光第三反射鏡28出來的探測光束投射到探測光第一反射鏡22反射偏轉(zhuǎn)后進入探測光第二擴束準直透鏡21，完成探測光再次準直放大；探測光第一凸透鏡23，接收探測光第二擴束準直透鏡21出來的光束并聚焦到樣品表面泵浦光加熱中心。泵浦光擴束準直由泵浦光第一擴束準直透鏡8調(diào)節(jié)。探測光擴束準直由探測光第一擴束準直透鏡27調(diào)節(jié)。主要思路是首先固定泵浦光延遲位移平臺13在零點位置，移動探測延遲位移平臺30，可以測量Ons 4ns數(shù)據(jù)，然后將泵浦光延遲位移平臺13移動到4ns處，再次移動探測延遲位移平臺30，可以測量4ns 8ns數(shù)據(jù)。如果在4ns處，兩段數(shù)據(jù)能夠很好銜接，說明整個光路調(diào)整比較完美。這個技術(shù)方案主要部件及其作用如下:分束器2用于將鈦藍寶石脈沖飛秒激光器I輸出光束分成兩束；起偏器4將將鈦藍寶石脈沖飛秒激光器I輸出的水平線性偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪本€性偏振光；泵浦光第一凸透鏡5用于聚焦泵浦光束并進入聲光調(diào)制器6 ；聲光調(diào)制器6用于調(diào)制泵浦光；可調(diào)光闌7可以讓聲光調(diào)制器6輸出的+1級光束通過而阻擋其它分級光束；泵浦光第一擴束準直透鏡8用于調(diào)節(jié)聲光調(diào)制器6輸出激光光束，使其變?yōu)闇手?平行)光束；泵浦光第一反射鏡9用于反射偏轉(zhuǎn)泵浦光，并投射到泵浦光延遲位移平臺13上泵浦光第三反射鏡14 ；泵浦光直角棱鏡11用于反轉(zhuǎn)泵浦光并回射到泵浦光第四反射鏡15 ；泵浦光第二反射鏡10用于反射偏轉(zhuǎn)泵浦光，并投射到泵浦光第二擴束準直透鏡12 ；泵浦光第五反射鏡16用于反射偏轉(zhuǎn)泵浦光，并投射到泵浦光第二凸透鏡17 ；探測光第一擴束準直透鏡27用于調(diào)節(jié)分束器2輸出激光光束，使其變?yōu)闇手?平行)光束；探測光第二反射鏡25用于反射偏轉(zhuǎn)探測光，并投射到探測光延遲位移平臺30上探測光第四反射鏡29;探測光直角棱鏡26用于反轉(zhuǎn)探測光并回射到探測光第三反射鏡28 ；探測光第一反射鏡22用于反射偏轉(zhuǎn)探測光，并投射到探測光第二擴束準直透鏡21 ；探測光第一凸透鏡23接收并聚焦探測光到樣品表面。在原理和配置上，本發(fā)明與最接近技術(shù)的共有特征是:飛秒激光輸出光束被分束器2分成兩束光，一束是泵浦光，用來加熱樣品的表面；另外一束是探測光，用來探測樣品表面溫度的變化。泵浦光被聲光調(diào)制器6或者電光調(diào)制器調(diào)制。測量過程中，泵浦光程固定，而探測光程隨著延遲位移平臺移動相對泵浦光程有變化。在原理和配置上，本發(fā)明與最接近技術(shù)不同特征是:泵浦光程可以變化，測量過程可以有三種方案，一、首先固定泵浦光程在零點位置，用探測光測量Ons 4ns數(shù)據(jù)，然后泵浦光程移動到4ns處，再用探測光測量4ns 8ns數(shù)據(jù)。二、首先固定探測光程，用泵浦光測量Ons 4ns數(shù)據(jù)，然后探測光程移動到4ns處，再用泵浦光測量4ns 8ns數(shù)據(jù)。三、固定泵浦光在零點位置，用探測光測量Ons 4ns數(shù)據(jù)，探測光程保持在4ns處，再用泵浦光測量4ns 8ns數(shù)據(jù)。鈦一藍寶石脈沖飛秒激光器I輸出的脈沖激光經(jīng)過分束器2后分成兩束，一束為泵浦光，用以加熱樣品，另外一束是探測光，用以探測樣品表面溫度變化。鈦一藍寶石脈沖飛秒激光器I輸出的光束是水平線偏振光，經(jīng)過起偏器4后為垂直線性偏振光。垂直線性偏振光經(jīng)過泵浦光第一凸透鏡5入射聲光調(diào)制器6，此時垂直線性偏振光被調(diào)制分成四級，可調(diào)光闌7使+1級光束通過，其它分級光束被阻擋。泵浦光第一擴束準直透鏡8用于將泵浦光擴束并準直，仔細調(diào)整泵浦光第一反射鏡9，使泵浦光平行于泵浦光延遲位移平臺13移動方向并垂直泵浦光第三反射鏡14斜面。然后調(diào)整泵浦光直角棱鏡11，使泵浦光平行于泵浦光延遲位移平臺13移動方向并垂直泵浦光第四反射鏡15斜面。從泵浦光第四反射鏡15出射光線經(jīng)過泵浦光第二反射鏡10、泵浦光第二擴束準直透鏡12、泵浦光第五反射鏡16、泵浦光第二凸透鏡17聚焦在樣品的表面。分束器2反射的探測光首先經(jīng)過探測光第一擴束準直透鏡27入射到探測光第二反射鏡25，仔細調(diào)整探測光第二反射鏡25使探測光平行于探測光延遲位移平臺30移動方向并垂直于探測光第四反射鏡29斜面，然后調(diào)整探測光直角棱鏡26，使探測光平行探測光延遲位移平臺30并垂直探測光第三反射鏡28斜面。從探測光第三反射鏡28出射光線經(jīng)過探測光第一反射鏡22、探測光第二擴束透鏡21、探測光第一凸透鏡23聚焦到泵浦光加熱區(qū)域中心，探測光經(jīng)過樣品反射后進入探測光縮束透鏡20、檢偏器19進入光電探測器18，從而完成了樣品表面溫度的測量。采用單延遲位移平臺，由于光路校準和準直限制，很難實現(xiàn)較長延遲時間數(shù)據(jù)采集。在實驗室原有的瞬態(tài)熱反射系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過在泵浦光路中添加了一個延遲位移平臺、兩個反射鏡、一個直角大棱鏡以及一個擴束準直透鏡組，發(fā)展了雙延遲位移平臺飛秒激光瞬態(tài)熱反射系統(tǒng)，使延遲時間從2ns增加到8ns。采用雙延遲位移平臺技術(shù)，相比于同等延遲時間單延遲位移平臺，一方面降低了光路校準和準直的難度，提高了測量精度；另一方面，這種技術(shù)還具有檢測較短延遲時間數(shù)據(jù)的功能。
權(quán)利要求
1.一種雙延遲位移平臺飛秒激光瞬態(tài)熱反射系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括 激光器(I)，用于輸出光束； 分束器(2)，用于將激光器(I)輸出光束分成兩束，一束為泵浦光，用以加熱樣品，另外一束是探測光，用以探測樣品表面溫度變化； 在泵浦光路: 起偏器(4)，用于將激光器(I)輸出的水平線性偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪本€性偏振光； 泵浦光第一凸透鏡(5)，用于聚焦起偏器(4)輸出的垂直線性偏振光，并進入聲光調(diào)制器(6); 聲光調(diào)制器(6)，用于調(diào)制泵浦光，此時，泵浦光加載調(diào)制頻率； 可調(diào)光闌(7)，用于將聲光調(diào)制器(6)輸出+1級光束通過而阻擋其它分級光束； 泵浦光第一擴束準直透鏡(8)，用于調(diào)節(jié)聲光調(diào)制器(6)輸出激光光束，使其變?yōu)榉糯鬁手惫馐? 泵浦光第一反射鏡(9)，用于將通過泵浦光第一擴束準直透鏡(8)處理的準直光束進行反射偏轉(zhuǎn)，并投射到泵浦光延遲位移平臺(13)上的泵浦光第三反射鏡(14); 泵浦光直角棱鏡(11)，從泵浦光第三反射鏡(14)出來的光束，經(jīng)過泵浦光直角棱鏡(11)反轉(zhuǎn)后進入泵浦光第四反射鏡(15)； 泵浦光第四反射鏡(15)，泵浦光進入泵浦光第四反射鏡(15)再次反轉(zhuǎn)進入泵浦光第二反射鏡(10)； 泵浦光第二反射鏡(10)，用于反射偏轉(zhuǎn)泵浦光，并投射到泵浦光第二擴束準直透鏡(12)，此時，泵浦光束再次被準直放大并投射到泵浦光第五反射鏡(16); 泵浦光第五反射鏡(16)，用于反射偏轉(zhuǎn)泵浦光，并投射到泵浦光第二凸透鏡(17); 泵浦光第二凸透鏡(17)，投射到泵浦光第二凸透鏡(17)光束聚焦到樣品表面，完成樣品加熱功能； 在探測光路: 探測光第一擴束準直透鏡(27)，從分束器(2)輸出的激光光束，經(jīng)過探測光第一擴束準直透鏡(27)變成放大準直光束并投射到探測光第二反射鏡(25)； 探測光第二反射鏡(25)，用于反射偏轉(zhuǎn)探測光，并投射到探測光延遲位移平臺(30)上探測光第四反射鏡(29); 探測光直角棱鏡(26)，從探測光第四反射鏡(29)出來的探測光束進入探測光直角棱鏡(26)反轉(zhuǎn)后回射到探測光第三反射鏡(28)； 探測光第一反射鏡(22)，從探測光第三反射鏡(28)出來的探測光束投射到探測光第一反射鏡(22)反射偏轉(zhuǎn)后進入探測光第二擴束準直透鏡(21)，完成探測光再次準直放大；探測光第一凸透鏡(23)，接收探測光第二擴束準直透鏡(21)出來的光束并聚焦探機類到樣品表面泵浦光加熱中心。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙延遲位移平臺飛秒激光瞬態(tài)熱反射系統(tǒng)，其特征在于:泵浦光擴束準直由泵浦光第一擴束準直透鏡(8)調(diào)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙延遲位移平臺飛秒激光瞬態(tài)熱反射系統(tǒng)，其特征在于:探測光擴束準直由探測光第一擴束準直透鏡(27)調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙延遲位移平臺飛秒激光瞬態(tài)熱反射系統(tǒng)，屬于激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，常用于微納米材料熱物性測量。本發(fā)明包括激光器(1)，用于輸出光束；分束器(2)，用于將激光器(1)輸出光束分成兩束，一束為泵浦光，用以加熱樣品，另外一束是探測光，用以探測樣品表面溫度變化；起偏器(4)，用于將激光器(1)輸出的水平線性偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪本€性偏振光；泵浦光第一凸透鏡(5)，用于聚焦經(jīng)起偏器(4)輸出的垂直線性偏振光，并進入聲光調(diào)制器(6)；聲光調(diào)制器(6)，用于調(diào)制泵浦光，此時，泵浦光加載調(diào)制頻率。本發(fā)明一方面降低了光路校準和準直的難度，提高了測量精度；另一方面，這種技術(shù)還具有檢測較短延遲時間數(shù)據(jù)的功能。
文檔編號G01N21/71GK103175823SQ20131007299
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月7日
發(fā)明者畢可東, 張春偉, 陳云飛, 雍國清, 趙偉瑋 申請人:東南大學(xué)