CN101806733B - 飞秒数字全息动态观察测量装置 - Google Patents

Abstract

一种用于观察测量飞秒激光诱导物质的动态变化过程的飞秒数字全息动态观察测量装置，特点在于将迈克尔逊干涉记录装置与马赫泽德干涉记录装置集成在同一光路，待测物体置于该光路中，以同时记录待测物体在反射方向和透射方向上的振幅与相位变化。本发明在观察记录飞秒激光脉冲与物质的相互作用中具有重要的应用价值。

Description

飞秒数字全息动态观察测量装置

技术领域

本专利涉及超短激光脉冲与固体物质的相互作用，特别是一种用于各种超快过程观察测试的飞秒数字全息动态观察测量装置，特别是一种可同时进行反射和透射实时观察测量的飞秒数字全息装置。它能广泛应用于观察测试各种超快过程，例如飞秒激光诱导物质的烧蚀、熔化、相变以及物质表面的瞬态形变等等。

背景技术

超短激光脉冲与固体物质的相互作用包含一些超快瞬态现象，比如激光诱导熔化、材料表面烧蚀和透明材料内部的光学击穿等。研究飞秒激光与物质的相互作用并且探测随后的瞬态演化过程是一个全新的领域，具有重要的应用价值。然而，检测这些超快过程是非常具有挑战性的，因为目前还没有这么快的电子器件可用来记录这些超快过程，所以飞秒激光脉冲成了当前探测超快过程的重要手段。

利用飞秒脉冲激光来探测超快过程主要有以下技术：光谱干涉技术、散射成像技术与时间分辨阴影图技术等。1994年，J.P.Geindre等人利用飞秒光谱干涉技术【在先技术1：J.P.Geindre et al.，Opt.Lett.19，1997(1994)】测量了激光诱导等离子体的振幅和相位瞬态变化过程。2002年，Mazur研究小组利用散射成像技术【在先技术2：Chris Schaffer et al.，Opt.Express.10，196(2002)】研究了水在飞秒激光诱导破坏情况下的瞬态变化。2007年，Zhang等利用时间分辨阴影图技术【在先技术3：N.Zhang etal.，Phy.Rev.Lett.99，167602(2007)】研究了飞秒激光烧蚀金属铝的超快材料喷发过程。利用这些技术可以观察到超快过程的变化，然而，这些技术有一定的不足之处：光谱干涉技术只能获得一维的横向分辨信息，且时间分辨限制在几个皮秒量级；散射成像技术与时间分辨阴影图技术只能得到物体的正面或侧面轮廓衍射像，无法准确得到物体的振幅与相位变化信息。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述在先技术的不足，提出了一种飞秒数字全息动态观察测量装置，该装置可同时进行反射和透射实时观察测量物体的振幅与相位信息。

本发明的基本构思是：将迈克尔逊干涉记录装置与马赫泽德干涉记录装置集成在同一光路，待测物体置于该光路中，以同时记录待测物体在反射方向和透射方向上的振幅与相位变化。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于观察测量飞秒激光诱导物质的动态变化过程的飞秒数字全息动态观察测量装置，特点在于其构成包括飞秒激光光源、第一半透半反镜、第二半透半反镜、第三半透半反镜和第四半透半反镜、第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜、第四全反射镜、第五全反射镜、第六全反射镜、第七全反射镜、第八全反射镜、透镜、待测物体、BBO倍频晶体、第一探测器、第二探测器和计算机，上述零部件的位置关系如下：

飞秒激光从所述的飞秒激光光源)出射后，经第一半透半反镜被分成反射的泵浦光束和透射的探测光束，所述的泵浦光束经第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜和第四全反射镜后由透镜聚焦在待测物体表面；所述的探测光束首先经BBO倍频晶体倍频后，再经第二半透半反镜分为反射的A光束和透射的B光束，所述的B光束经第五全反射镜、第六全反射镜和第七全反射镜反射后再由第四半透半反镜反射后进入第一探测器；

所述的A光束经第三半透半反镜后分为反射的A1光束和透射的A2光束，其中A2光束经第八全反射镜反射后，再次经第三半透半反镜反射进入第二探测器；

所述的A1光束经待测物体透射后携带有待测物体的信息形成第一物光束，该第一物光束经第四半透半反镜透射后与经第五全反射镜、第六全反射镜、第七全反射镜和第四半透半反镜)反射后的B光束形成干涉，干涉全息图由所述的第一探测器探测，所述的第一探测器的输出端与所述的计算机相连；

所述的A1光束经待测物体反射后亦携带有待测物体的信息形成第二物光束，该第二物光束再次经第三半透半反镜透射后与经由第八全反射镜反射回的A2光束形成干涉，干涉全息图由第二探测器探测，所述的第二探测器的输出端与所述的计算机相连；

所述的第三半透半反镜、待测物体、第八全反射镜组成迈克尔逊干涉记录装置，用于观察记录待测物体在反射方向上的动态变化；所述的第二半透半反镜、第三半透半反镜、第五全反射镜、第六全反射镜和第七全反射镜和第四半透半反镜组成马赫-泽德干涉记录装置，用于观察记录待测物体透射方向上的动态变化。

所述的飞秒激光光源是一台激光器，脉宽为90fs，输出功率大于250mW，带宽为大于50nm，辐射波长为780nm-840nm，中心波长为800nm，重复频率为76MHz的钛宝石激光震荡系统。

所述的第一半透半反镜、第二半透半反镜、第三半透半反镜和第四半透半反镜均是一块宽光谱介质膜的半透半反镜。

所述的第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜、第四全反射镜、第五全反射镜、第六全反射镜、第七全反射镜和第八全反射镜均是镀银全反射镜，所述的第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜和第四全反射镜组成第一光束延迟装置，第五全反射镜、第六全反射镜和第七全反射镜组成第二光束延迟装置，所述的第八全反射镜的位置移动形成第三光束延迟装置，用于光路中的等光程和光学延迟调节。

所述的透镜是一块消色差透镜。

所述的第一探测器和第二探测器是一个对780nm-840nm具有灵敏光谱响应的CCD探测器。

所述的计算机是一台能实时重构飞秒数字全息图的计算机。

所说的第一、第二、第三和第四半透半反镜是一块宽光谱镀介质膜的半透半反镜，它将光束分为透射和反射各50％的两束光。第一半透半反镜用来将光束分为泵浦光与探测光。第二半透半反镜用来将探测光束分为两束光，一束用于马赫-泽德干涉记录中的物光，另一束用作参考光。第三半透半反镜用于迈克尔逊干涉装置中，将待测物体的反射物光与参考光相遇干涉进入第二探测器。第四半透半反镜用于马赫-泽德干涉记录装置中，将透射过待测物体的物光束与参考光束相遇干涉进入第一探测器。

所说的透镜是一块消色差透镜，是用来将泵浦光聚焦后激发待测物体。

所说的BBO倍频晶体是一块厚度为100um，长宽都为5mm的BBO晶体，是用来将中心波长为800nm的脉冲光倍频为400nm的脉冲光。

本发明的依据如下：

当飞秒激发器辐射的脉冲光束经第一半透半反镜后，将光束分为两束光：一束泵浦光，用于激发待测物体，从而产生超快现象；一束探测光，经BBO倍频晶体倍频后，进入干涉全息记录光路中，用于观察记录待测物体的超快过程。干涉全息记录光路同时包含两套记录装置，即迈克尔逊干涉记录与马赫-泽德干涉记录装置。倍频后的探测光束经第二半透半反镜后，分为反射光束A与透射光束B。光束B经第五、第六和第七全反射镜反射，再经第四半透半反镜反射后成像在第二探测器上作为马赫-泽德干涉记录中的参考光，光束A经第三半透半反镜反射后的A1光束，入射到待测物体上透射后，形成携有透射方向上物体信息的第一物光束，经第四半透半反镜透射后和所述的光束B相遇干涉，形成全息图，成像在第一探测器，数字化后，存储在计算机中，获得了待研究物体在透射方向上的超快信息。

光束A经第三半透半反镜透射后的A2光束，经第八全反射镜反射后，再经第三半透半反镜反射后进入第二探测器，作为迈克尔逊干涉记录中的参考光。A1光束经待测物体反射后，形成携有反射方向上待测物体信息的第二物光束A12，再经第三半透半反镜透射后，与参考光A2光束干涉，形成全息图，成像在第二探测器上，数字化后，存储在计算机中，获得了待研究物体在反射方向上的超快信息。

本发明的飞秒数字全息动态观察测量装置，由于同时集成了迈克尔逊干涉记录与马赫-泽德干涉记录光路，能同时在反射和透射方向上实时观察测量物体的振幅与相位信息，大大提高了观察测量的准确性。

附图说明

图1是本发明飞秒数字全息动态观察测量装置结构示意图。

图2是本发明飞秒数字全息计算机实时重构再现过程的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

本发明的飞秒数字全息动态观察测量装置如图1所示，由图可见，本发明飞秒数字全息动态观察测量装置，包括飞秒激光光源1、第一半透半反镜2、第二半透半反镜10、第三半透半反镜11和第四半透半反镜12、第一全反射镜3、第二全反射镜4、第三全反射镜5、第四全反射镜6、第五全反射镜13、第六全反射镜14、第七全反射镜15、第八全反射镜16、透镜7、待测物体8、BBO倍频晶体9、第一探测器17、第二探测器18和计算机19，上述零部件的位置关系如下：

飞秒激光从所述的飞秒激光光源1出射后，经第一半透半反镜2被分成反射的泵浦光束和透射的探测光束，所述的泵浦光束经第一全反射镜3、第二全反射镜4、第三全反射镜5和第四全反射镜6后由透镜7聚焦在待测物体8表面；所述的探测光束首先经BBO倍频晶体9倍频后，再经第二半透半反镜10分为反射的A光束和透射的B光束，所述的B光束经第五全反射镜13、第六全反射镜14和第七全反射镜15反射后再由第四半透半反镜12反射后进入第一探测器17；

所述的A光束经第三半透半反镜11后分为反射的A1光束和透射的A2光束，其中A2光束经第八全反射镜16反射后，再次经第三半透半反镜11反射进入第二探测器18；

所述的A1光束经待测物体8透射后携带有待测物体的信息形成第一物光束A11，该第一物光束A11经第四半透半反镜12透射后与经第五全反射镜13、第六全反射镜14、第七全反射镜15和第四半透半反镜12反射后的B光束形成干涉，干涉全息图由所述的第一探测器17探测，所述的第一探测器17的输出端与所述的计算机19相连；

所述的光束A1经待测物体8反射后亦携带有待测物体8的信息形成第二物光束A12，该第二物光束A12再次经第三半透半反镜11透射后与经由第八全反射镜16反射回的A2光束形成干涉，干涉全息图由第二探测器18探测，所述的第二探测器18的输出端与所述的计算机19相连；

所述的第三半透半反镜11、待测物体8、第八全反射镜16组成迈克尔逊干涉记录装置，用于观察记录待测物体8在反射方向上的动态变化；所述的第二半透半反镜10、第三半透半反镜11、第五全反射镜13、第六全反射镜14和第七全反射镜15和第四半透半反镜12组成马赫-泽德干涉记录装置，用于观察记录待测物体8透射方向上的动态变化。

在本实施例中：

所说的激光光源1，是一台脉宽为90fs，输出功率500mW，中心波长为800nm，重复频率为76MHz的钛宝石激光震荡系统。

所说的第一半透半反镜2、第二半透半反镜10、第三半透半反镜11和第四半透半反镜12是一块宽光谱镀介质膜的半透半反镜，它将光束分为透射和反射各50％的两束光。第一半透半反镜2用来将光束分为泵浦光与探测光。第二半透半反镜10用来将探测光束分为两束光，一束用于马赫-泽德干涉记录中的物光，另一束用于参考光。第三半透半反镜11用于迈克尔逊干涉装置中，将待测物体8的反射物光与参考光相遇干涉进入第二探测器18。第四半透半反镜12用于马赫-泽德干涉记录装置中，将透过待测物体的物光束与参考光束相遇干涉进入第一探测器17。

所说的第一全反射镜3、第二全反射镜4、第三全反射镜5、第四全反射镜6、第五全反射镜13、第六全反射镜14、第七全反射镜15和第八全反射镜16是一块镀银全反射镜。第一全反射镜3、第二全反射镜4、第三全反射镜5和第四全反射镜6组成一个光束延迟系统，第五全反射镜13、第六全反射镜14和第七全反射镜15组成另一个光束延迟系统，用于光路中的等光程调节。

所说的透镜7是一块消色差透镜，是用来将泵浦光聚焦后激发待测物体。

所说得待测物体8是一块145nm厚的金属Cr膜。

所说的BBO倍频晶体9是一块厚度为100um，长宽都为5mm的BBO晶体，是用来将中心波长为800nm的脉冲光倍频为400nm的脉冲光。

所说的第一探测器17和第二探测器18均是一个对800nm具有灵敏光谱响应的CCD探测器。

所说的计算机19是一台能用来实时重构飞秒数字全息图的计算机。

本发明飞秒数字全息动态观察测量装置的工作原理和基本过程是：

当飞秒激发器1辐射的脉冲光束经第一半透半反镜2后，将光束分为两束光：一束泵浦光，经第一、第二、第三和第四3、4、5、6组成的光学延迟系统后，通过透镜7聚焦激发待测物体8，从而产生超快现象；一束探测光，经BBO倍频晶体9倍频后，进入干涉全息记录光路中，用于观察记录待测物体的超快过程。干涉全息记录同时包含两套记录装置，即迈克尔逊干涉记录与马赫-泽德干涉记录装置。倍频后的探测光束经第二半透半反镜10后，分为反射光束A与透射光束B。光束B经第五、第六和第七全反射镜13、14、15组成的光学延迟系统后，再经第四半透半反镜12反射后成像在第一探测器17上作为马赫-泽德干涉记录中的参考光，光束A经第三半透半反镜11反射后的光束A1，通过待测物体8透射后，形成携有物体信息的物光束A11，经第四半透半反镜12透射后与光束B相遇干涉形成全息图，成像在第一探测器上17，数字化后，记录存储在计算机19中，获得了待研究物体在透射方向上的超快信息。光束A经第三半透半反镜11透射后的光束A2，经可延迟的第八全反射镜16反射，再经第三半透半反镜11反射后进入第二探测器18，作为迈克尔逊干涉记录中的参考光。光束A1经待测物体8反射后，形成携有物体信息的物光束A12，再经第三半透半反镜11透射后，与参考光A2干涉形成全息图，成像在第二探测器18上，数字化后，记录存储在计算机19中，获得了待研究物体在反射方向上的超快信息。数字全息图由计算机19来实时重构，本发明中所用的重构方法为一般的数字全息再现算法【参见E.Cuche et al，Appl.Opt.39，4070(200)】，其数字再现过程如图2所示：将存储在计算机中的全息图经傅里叶变换后，得到全息图的频谱分布。然后，经滤波处理后得到只包含有待测物体信息的+1级频谱。最后，经逆傅里叶变换后，重构得到了待测物体的变化信息。这样，可以同时在反射和透射方向上记录待测物体8在泵浦光激发后的超快变化过程。

本发明的飞秒数字全息动态观察测量装置，由于同时集成了迈克尔逊干涉记录与马赫-泽德干涉记录光路，能同时在反射和透射方向上实时观察测量物体的振幅与相位信息，大大提高了测量的准确性。

Claims (7)

1.一种用于观察测量飞秒激光诱导物质的动态变化过程的飞秒数字全息动态观察测量装置，特征在于其构成包括飞秒激光光源(1)、第一半透半反镜(2)、第二半透半反镜(10)、第三半透半反镜(11)和第四半透半反镜(12)、第一全反射镜(3)、第二全反射镜(4)、第三全反射镜(5)、第四全反射镜(6)、第五全反射镜(13)、第六全反射镜(14)、第七全反射镜(15)、第八全反射镜(16)、透镜(7)、待测物体(8)、BBO倍频晶体(9)、第一探测器(17)、第二探测器(18)和计算机(19)，上述零部件的位置关系如下：

飞秒激光从所述的飞秒激光光源(1)出射后，经第一半透半反镜(2)被分成反射的泵浦光束和透射的探测光束，所述的泵浦光束经第一全反射镜(3)、第二全反射镜(4)、第三全反射镜(5)和第四全反射镜(6)后由透镜(7)聚焦在待测物体(8)表面；所述的探测光束首先经BBO倍频晶体(9)倍频后，再经第二半透半反镜(10)分为反射的A光束和透射的B光束，所述的B光束经第五全反射镜(13)、第六全反射镜(14)和第七全反射镜(15)反射后再由第四半透半反镜(12)反射后进入第一探测器(17)；

所述的A光束经第三半透半反镜(11)后分为反射的A1光束和透射的A2光束，其中A2光束经第八全反射镜(16)反射后，再次经第三半透半反镜(11)反射进入第二探测器(18)；

所述的A1光束经待测物体(8)透射后携带有待测物体的信息形成第一物光束(A11)，该第一物光束(A11)经第四半透半反镜(12)透射后与经第五全反射镜(13)、第六全反射镜(14)、第七全反射镜(15)和第四半透半反镜(12)反射后的B光束形成干涉，干涉全息图由所述的第一探测器(17)探测，所述的第一探测器(17)的输出端与所述的计算机(19)相连；

所述的A1光束经待测物体(8)反射后亦携带有待测物体(8)的信息形成第二物光束(A12)，该第二物光束(A12)再次经第三半透半反镜(11)透射后与经由第八全反射镜(16)反射回的A2光束形成干涉，干涉全息图由第二探测器(18)探测，所述的第二探测器(18)的输出端与所述的计算机(19)相连；

所述的第三半透半反镜(11)、待测物体(8)、第八全反射镜(16)组成迈克尔逊干涉记录装置，用于观察记录待测物体(8)在反射方向上的动态变化；所述的第二半透半反镜(10)、第三半透半反镜(11)、第五全反射镜(13)、第六全反射镜(14)和第七全反射镜(15)和第四半透半反镜(12)组成马赫-泽德干涉记录装置，用于观察记录待测物体(8)透射方向上的动态变化。

2.根据权利要求1所述的飞秒数字全息动态观察测量装置，其特征在于所述的飞秒激光光源(1)是一台激光器，脉宽为90fs，输出功率大于250mW，带宽为大于50nm，辐射波长为780nm-840nm，中心波长为800nm，重复频率为76MHz的钛宝石激光震荡系统。

3.根据权利要求1所述的飞秒数字全息动态观察测量装置，其特征在于所述的第一半透半反镜(2)、第二半透半反镜(10)、第三半透半反镜(11)和第四半透半反镜(12)均是一块宽光谱介质膜的半透半反镜。

4.根据权利要求1所述的飞秒数字全息动态观察测量装置，其特征在于所述的第一全反射镜(3)、第二全反射镜(4)、第三全反射镜(5)、第四全反射镜(6)、第五全反射镜(13)、第六全反射镜(14)、第七全反射镜(15)和第八全反射镜(16)均是镀银全反射镜，所述的第一全反射镜(3)、第二全反射镜(4)、第三全反射镜(5)和第四全反射镜(6)组成第一光束延迟装置，第五全反射镜(13)、第六全反射镜(14)和第七全反射镜(15)组成第二光束延迟装置，所述的第八全反射镜(16)的位置移动形成第三光束延迟装置。

5.根据权利要求1所述的飞秒数字全息动态观察测量装置，其特征在于所述的透镜(7)是一块消色差透镜。

6.根据权利要求1所述的飞秒数字全息动态观察测量装置，其特征在于所述的第一探测器(17)和第二探测器(18)都是一个对780nm-840nm具有灵敏光谱响应的CCD探测器。

7.根据权利要求1所述的飞秒数字全息动态观察测量装置，其特征在于所述的计算机(19)是一台能实时重构飞秒数字全息图的计算机。

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