CN101832910A - 反向共线瞬态热反射测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种反向共线瞬态热反射测量系统，该系统用于测量待测样品(4)，该系统包括偏振输出脉冲激光器(1)、分束器(2)、波片(3)、第一偏振器(5)、第二偏振器(10)、声光调制器(8)、大直角棱镜(22)、位移平台(23)、第一偏振分束器(13)、第二偏振分束器(18)、光电探测器(12)、第三反射镜(21)、第三凸透镜(15)、第四凸透镜(16)、第二扩束镜(17)和光路截止挡板(20)，待测样品(4)设置在第三凸透镜(15)和第四凸透镜(16)之间。该测量系统减少光学元器件，简化调节过程，提高探测信号的信噪比，并兼顾到材料的吸收和反射特性。

Description

反向共线瞬态热反射测量系统

技术领域

本发明属于激光技术领域，涉及到超快脉冲激光泵浦探测技术，尤其涉及到基于泵浦探测技术的反向共线瞬态热反射测量系统。

背景技术

随着超快脉冲激光技术的不断发展和成熟，作为研究和测量工具的激光泵浦探测技术在物理、化学、生物等领域也有着越来越重要的应用。在非稳态热学过程中，尤其是在微尺度传热过程中，基于泵浦探测技术发展而来的瞬态热反射法更是一种有效的、非接触式的、无损的方法。

在以往的瞬态热反射测量系统中，主要有以下几种思路：①泵浦光和探测光采用不同的波长，这就需要加入非线性晶体实现激光波长的转换，并加入不同波段的滤光片；②泵浦光和探测光采用共线的方式入射到样品表面，这种方法无法有效地利用样品材料对入射偏振光的反射和吸收特性，且泵浦光对探测光干扰大，获得的信号有较大的背景噪声；③还有就是将泵浦光和探测光独立处理，此方法虽然能够很好地利用材料的吸收和反射特性，但是调节过程复杂，较为不便。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是解决测量系统光学元器件较多、调节过分复杂的问题，提高探测信号的信噪比，并兼顾材料的吸收和反射特性，为此，本发明提供一种反向共线瞬态热反射测量系统。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种反向共线瞬态热反射测量系统，该系统用于测量待测样品，该系统包括偏振输出脉冲激光器、分束器、波片、第一偏振器、第二偏振器、声光调制器、大直角棱镜、位移平台、第一偏振分束器、第二偏振分束器、光电探测器、第三反射镜、第三凸透镜、第四凸透镜、第二扩束镜和光路截止挡板，待测样品设置在第三凸透镜和第四凸透镜之间，其中，

偏振输出脉冲激光器，用于输出偏振态脉冲激光束；

分束器，用于将偏振输出脉冲激光器输出的偏振态脉冲激光束分成透过该分束器且由波片接收的泵浦光和由该分束器反射且由第三反射镜接收的探测光；

波片，接受通过分束器分成的泵浦光，用于旋转激光束偏振方向；

第一偏振器，接收通过波片旋转偏振方向的泵浦光，使输出泵浦光偏振方向与偏振输出脉冲激光器输出的偏振态脉冲激光束偏振方向垂直；

第一反射镜，接收经第一偏振器的泵浦光并反射该泵浦光；

第一凸透镜，接收并聚焦缩束经过第一反射镜反射的泵浦光；

声光调制器，接收并调制经第一凸透镜聚焦缩束的泵浦光，用于输出调制的泵浦光；

光阑，用于通过已经声光调制器调制的泵浦光，并阻挡其他衍射光；

第一偏振分束器，用于反射通过光阑的已调制的泵浦光；

第一扩束镜，用于接收第一偏振分束器反射的已调制泵浦光，将其光斑放大；

第三凸透镜，用于将通过第一扩束镜的已调制泵浦光汇聚到样品表面；

第四凸透镜，用于将从样品表面反射的已调制泵浦光近似平行入射至第二扩束镜；

第二扩束镜，用于接收通过第四凸透镜的已调制泵浦光，将其光斑缩小；

第二偏振分束器，用于反射通过第二扩束镜的已调制泵浦光，使之入射至光路截止挡板；

光路截止挡板，用于阻挡第二偏振分束器反射的已调制泵浦光；

第三反射镜，用于接收并反射分束器反射出的探测光；

大直角棱镜，利用全反射接收的经过第三反射镜反射的探测光，并改变探测光的光路路方向，使探测光的光路方向改变180度；

位移平台，其移动方向和第三反射镜入射至大直角棱镜的方向平行；

第二反射镜，用于反射通过大直角棱镜的探测光；

第二偏振分束器，还用于透过第二反射镜反射的探测光；

第二扩束镜，还用于接收透过第二偏振分束器的探测光，将其光斑放大；

第四凸透镜，还用于将通过第二扩束镜的探测光到样品表面；

第三凸透镜，还用于将从样品表面反射的探测光近似平行入射至第一扩束镜；

第一扩束镜，还用于接收通过第三凸透镜的偏振探测光，将其光斑缩小；

第一偏振分束器，还用于接收通过第一扩束镜的探测光，使之透过并入射至第二偏振器；

第二偏振器，还用于接收透过第一偏振分束器的探测光，并过滤掉和探测光偏振方向不同的杂散光。

优选的，所述偏振输出脉冲激光器是波长700～900nm的钛宝石飞秒激光器，重复频率76MHz，脉冲宽度约100fs。

优选的，所述分束器采用约90％透过、10％反射的分束器。

优选的，波片采用二分之一波片。

优选的，第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜采用45度全反镜。

优选的，第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜和第四凸透镜的焦距范围在50～300mm之间选取。

优选的，声光调制器的调制频率范围为1kHz～10MHz。

优选的，光电探测器采用响应时间小于2ns的探测器。

优选的，第一扩束镜和第二扩束镜分别采用3～5倍扩束镜。

优选的，位移平台移动精度为每步100纳米，扫描范围大于150毫米，相应的光程延时范围大于1ns。

有益效果：本发明将偏振方向垂直的光分别通过样品的反射实现反向共线。这样，能够有效地减少光学元件，简化调节过程，提高探测信号的信噪比，并兼顾到材料的吸收和反射特性。

附图说明

附图1是本发明实施例中的结构示意图

主要部件说明如下：

1.偏振输出脉冲激光器；

2.分束器；

3.波片；

4.待测样品；

5.第一偏振器；

6.第一反射镜；

7.第一凸透镜；

8.声光调制器；

9.光阑；

10.第二偏振器；

11.第二凸透镜；

12.光电探测器；

13.第一偏振分束器；

14.第一扩束镜；

15.第三凸透镜；

16.第四凸透镜；

17.第二扩束镜；

18.第二偏振分束器；

19.第二反射镜；

20.光路截止挡板；

21.第三反射镜；

22.大直角棱镜；

23.位移平台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。应指出的是，所描述的实例仅旨在便于对本发明的理解，而不对其起任何限定作用。

本发明提供的反向共线瞬态热反射测量系统，该系统用于测量待测样品4，该系统包括偏振输出脉冲激光器1、分束器2、波片3、第一偏振器5、第二偏振器10、声光调制器8、大直角棱镜22、位移平台23、第一偏振分束器13、第二偏振分束器18、光电探测器12、第三反射镜21、第三凸透镜15、第四凸透镜16、第二扩束镜17和光路截止挡板20，待测样品4设置在第三凸透镜15和第四凸透镜16之间，其中，

偏振输出脉冲激光器1，用于输出偏振态脉冲激光束；

分束器2，用于将偏振输出脉冲激光器1输出的偏振态脉冲激光束分成透过该分束器2且由波片3接收的泵浦光和由该分束器2反射且由第三反射镜21接收的探测光；

波片3，接受通过分束器2分成的泵浦光，用于旋转激光束偏振方向；

第一偏振器5，接收通过波片3旋转偏振方向的泵浦光，使输出泵浦光偏振方向与偏振输出脉冲激光器1输出的偏振态脉冲激光束偏振方向垂直；

第一反射镜6，接收经第一偏振器5的泵浦光并反射该泵浦光；

第一凸透镜7，接收并聚焦缩束经过第一反射镜6反射的泵浦光；

声光调制器8，接收并调制经第一凸透镜7聚焦缩束的泵浦光，用于输出调制的泵浦光；

光阑9，用于通过已经声光调制器8调制的泵浦光，并阻挡其他衍射光；

第一偏振分束器13，用于反射通过光阑9的已调制的泵浦光；

第一扩束镜14，用于接收第一偏振分束器13反射的已调制泵浦光，将其光斑放大；

第三凸透镜15，用于将通过第一扩束镜14的已调制泵浦光汇聚到样品4表面；

第四凸透镜16，用于将从样品4表面反射的已调制泵浦光近似平行入射至第二扩束镜17；

第二扩束镜17，用于接收通过第四凸透镜16的已调制泵浦光，将其光斑缩小；

第二偏振分束器18，用于反射通过第二扩束镜17的已调制泵浦光，使之入射至光路截止挡板20；

光路截止挡板20，用于阻挡第二偏振分束器18反射的已调制泵浦光；

第三反射镜21，用于接收并反射分束器2反射出的探测光；

大直角棱镜22，利用全反射接收的经过第三反射镜21反射的探测光，并改变探测光的光路路方向，使探测光的光路方向改变180度；

位移平台23，沿着图示箭头方向移动，其移动方向和第三反射镜21入射至大直角棱镜22的方向平行；

第二反射镜19，用于反射通过大直角棱镜22的探测光；

第二偏振分束器18，还用于透过第二反射镜19反射的探测光；

第二扩束镜17，还用于接收透过第二偏振分束器18的探测光，将其光斑放大；

第四凸透镜16，还用于将通过第二扩束镜17的探测光到样品4表面；

第三凸透镜15，还用于将从样品4表面反射的探测光近似平行入射至第一扩束镜14；

第一扩束镜14，还用于接收通过第三凸透镜15的偏振探测光，将其光斑缩小；

第一偏振分束器13，还用于接收通过第一扩束镜14的探测光，使之透过并入射至第二偏振器10；

第二偏振器10，还用于接收透过第一偏振分束器13的探测光，并过滤掉和探测光偏振方向不同的杂散光。

偏振输出脉冲激光器1是波长700～900nm的钛宝石飞秒激光器，重复频率76MHz，脉冲宽度约100fs。

所述分束器2采用约90％透过、10％反射的分束器。

波片3采用二分之一波片。

第一反射镜6、第二反射镜19和第三反射镜21采用45度全反镜。

第一凸透镜7、第二凸透镜11、第三凸透镜15和第四凸透镜16的焦距范围在50～300mm之间选取。

声光调制器8的调制频率范围为1kHz～10MHz。

光电探测器12采用响应时间小于2ns的探测器。

第一扩束镜14和第二扩束镜17分别采用3～5倍扩束镜。

位移平台23移动精度为每步100纳米，扫描范围大于150毫米，相应的光程延时范围大于1ns。

应用实例：

如结构示意图1所示，偏振输出脉冲激光器1输出波长为800nm的飞秒脉冲光，重复频率76MHz，脉冲宽度100fs，平均功率1.2W；

分束器2采用透过90％反射10％的分束器；

波片3采用二分之一波片；

第一偏振器5采用格兰激光棱镜，第二偏振器10采用格兰汤姆森棱镜；

第一反射镜6、第二反射镜19和第三反射镜21采用45度全反镜；

第一凸透镜7、第二凸透镜11、第三凸透镜15和第四凸透镜16可以根据需求选用焦距范围在50～300mm之间的凸透镜；

声光调制器8的调制频率范围选在1kHz～10MHz，其频率调制通过声光调制器驱动器控制；

光阑9采用可调小孔光阑；

光电探测器12采用响应时间1ns的PIN硅二极管；

第一扩束镜14和第二扩束镜17采用3～5倍扩束镜；

光路截止挡板20采用挡板吸收并截止光路；

大直角棱镜22采用30mm×30mm×30mm直角棱镜；

位移平台23采用电控位移平台，精度为每步100nm，扫描范围300mm，对应的光程延时范围为2ns。

本发明的主要结构与原理描述如下：

本发明的主要结构有偏振输出脉冲激光器1、分束器2、波片3、第一偏振器5、第二偏振器10、声光调制器8、大直角棱镜22、位移平台23、第一偏振分束器13、第二偏振分束器18和光电探测器12组成。

偏振输出脉冲激光器1输出的脉冲激光如果是水平线偏振的，通过分束器2后，会有90％的光透过、10％的光反射；透过的光作为泵浦光，会通过二分之一波片3和第一偏振器5组成的功率调节系统，二分之一波片3旋转水平线偏振光的偏振方向，第一偏振器5使通过的激光偏振方向变成垂直；偏振方向变为垂直的激光束通过第一反射镜6(45度反射镜)反射和第一凸透镜7聚焦后进入声光调制器8，声光调制器8在函数发生器TTL电平信号控制的声光调制器驱动器驱动下，将通过的激光束调制到设定频率；从声光调制器8出射的激光束经过可调小孔光阑9，选择所需的一级衍射光，通过第一偏振分束器13的反射、第一扩束镜14的扩束，最终通过第三凸透镜15聚焦到样品4的表面，加热样品4。泵浦光经过样品表面的反射会通过第四凸透镜16出射、第二扩束器17逆向缩束，经过第二偏振分束器18反射到光路截止挡板20。即完成整个泵浦光路。

被分束器2反射的10％的水平偏振光作为探测光，经过第三反射镜21(45度反射镜)，入射到安装在位移平台23上的大直角棱镜22；经过大直角棱镜22的两次全反射，激光束出射至第二反射镜19(45度反射镜)，反射通过第二偏振分束器18，通过第二扩束镜17扩束后，第四凸透镜16将其聚焦至样品4的表面。探测光从样品4表面反射，通过第三凸透镜15出射、第一扩束镜14逆向缩束后，透过第一偏振分束器13进入第二偏振器10，过滤掉水平偏振光以外的杂散光后，通过第二凸透镜11聚焦探测光信号到光电探测器12上。

泵浦光从第一偏振分束器13经过样品4反射到第二偏振分束器18的这段光路和探测光从第二偏振分束器18经样品4反射到第一偏振分束器13这段光路，即为反向共线光路。泵浦光和探测光在样品4表面同一点重合，利用样品4表面的镜面反射，实现两束光的反向共线。而由于泵浦光和探测光的偏振方向垂直，所以，泵浦光利用第一偏振分束器13和第二偏振分束器18对垂直偏振光的反射，而水平偏振方向的探测光则直接透过第二偏振分束器18和第一偏振分束器13。

光程延时环节由位移平台23和大直角棱镜22组成，延时范围由位移平台的行程确定，实例中延时范围最大为2ns。

分束器2反射的探测光，通过第三反射镜21(45度反射镜)反射，入射至大直角棱镜22，其入射方向应保证和位移平台23移动方向平行；同时需调节大直角棱镜22安放位置和角度，以保证在位移平台23移动的过程中从大直角棱镜22出射的激光束始终和位移平台23运动方向平行。

光电探测器12使用响应时间为1ns的PIN硅二极管，保证响应频率高于偏振输出脉冲激光器1的重复频率，避免探测误差。

声光调制器8，位移平台23和光电探测器12须协调工作，根据声光调制器8的调制频率设置位移平台23的移动速度，并读取光电探测器12采集的数据，如声光调制器8采用1MHz的调制信号，则在泵浦光和探测光光程相等点附近2cm处位移平台速度不得大于10微米每秒，而其他位置平台的位移速度不得大于150微米每秒。一般一秒读取一个或一个以上的探测信号。最后得到不同延时时间的反射探测光的强度，从而反推出材料的热学性质。

Claims (10)

1.一种反向共线瞬态热反射测量系统，该系统用于测量待测样品(4)，其特征在于：该系统包括偏振输出脉冲激光器(1)、分束器(2)、波片(3)、第一偏振器(5)、第二偏振器(10)、声光调制器(8)、大直角棱镜(22)、位移平台(23)、第一偏振分束器(13)、第二偏振分束器(18)、光电探测器(12)、第三反射镜(21)、第三凸透镜(15)、第四凸透镜(16)、第二扩束镜(17)和光路截止挡板(20)，待测样品(4)设置在第三凸透镜(15)和第四凸透镜(16)之间，其中，

偏振输出脉冲激光器(1)，用于输出偏振态脉冲激光束；

分束器(2)，用于将偏振输出脉冲激光器(1)输出的偏振态脉冲激光束分成透过该分束器(2)且由波片(3)接收的泵浦光和由该分束器(2)反射且由第三反射镜(21)接收的探测光；

波片(3)，接受通过分束器(2)分成的泵浦光，用于旋转激光束偏振方向；

第一偏振器(5)，接收通过波片(3)旋转偏振方向的泵浦光，使输出泵浦光偏振方向与偏振输出脉冲激光器(1)输出的偏振态脉冲激光束偏振方向垂直；

第一反射镜(6)，接收经第一偏振器(5)的泵浦光并反射该泵浦光；

第一凸透镜(7)，接收并聚焦缩束经过第一反射镜(6)反射的泵浦光；

声光调制器(8)，接收并调制经第一凸透镜(7)聚焦缩束的泵浦光，用于输出调制的泵浦光；

光阑(9)，用于通过已经声光调制器(8)调制的泵浦光，并阻挡其他衍射光；

第一偏振分束器(13)，用于反射通过光阑(9)的已调制的泵浦光；

第一扩束镜(14)，用于接收第一偏振分束器(13)反射的已调制泵浦光，将其光斑放大；

第三凸透镜(15)，用于将通过第一扩束镜(14)的已调制泵浦光汇聚到样品(4)表面；

第四凸透镜(16)，用于将从样品(4)表面反射的已调制泵浦光近似平行入射至第二扩束镜(17)；

第二扩束镜(17)，用于接收通过第四凸透镜(16)的已调制泵浦光，将其光斑缩小；

第二偏振分束器(18)，用于反射通过第二扩束镜(17)的已调制泵浦光，使之入射至光路截止挡板(20)；

光路截止挡板(20)，用于阻挡第二偏振分束器(18)反射的已调制泵浦光；

第三反射镜(21)，用于接收并反射分束器(2)反射出的探测光；

大直角棱镜(22)，利用全反射接收的经过第三反射镜(21)反射的探测光，并改变探测光的光路路方向，使探测光的光路方向改变180度；

位移平台(23)，其移动方向和第三反射镜(21)入射至大直角棱镜(22)的方向平行；

第二反射镜(19)，用于反射通过大直角棱镜(22)的探测光；

第二偏振分束器(18)，还用于透过第二反射镜(19)反射的探测光；

第二扩束镜(17)，还用于接收透过第二偏振分束器(18)的探测光，将其光斑放大；

第四凸透镜(16)，还用于将通过第二扩束镜(17)的探测光到样品(4)表面；

第三凸透镜(15)，还用于将从样品(4)表面反射的探测光近似平行入射至第一扩束镜(14)；

第一扩束镜(14)，还用于接收通过第三凸透镜(15)的偏振探测光，将其光斑缩小；

第一偏振分束器(13)，还用于接收通过第一扩束镜(14)的探测光，使之透过并入射至第二偏振器(10)；

第二偏振器(10)，还用于接收透过第一偏振分束器(13)的探测光，并过滤掉和探测光偏振方向不同的杂散光。

2.根据权利要求1所述的反向共线瞬态热反射测量系统，其特征在于，所述偏振输出脉冲激光器(1)是波长700～900nm的钛宝石飞秒激光器，重复频率76MHz，脉冲宽度约100fs。

3.根据权利要求1所述的反向共线瞬态热反射测量系统，其特征在于，所述分束器(2)采用约90％透过、10％反射的分束器。

4.根据权利要求1所述的反向共线瞬态热反射测量系统，其特征在于，波片(3)采用二分之一波片。

5.根据权利要求1所述的反向共线瞬态热反射测量系统，其特征在于，第一反射镜(6)、第二反射镜(19)和第三反射镜(21)采用45度全反镜。

6.根据权利要求1所述的反向共线瞬态热反射测量系统，其特征在于，第一凸透镜(7)、第二凸透镜(11)、第三凸透镜(15)和第四凸透镜(16)的焦距范围在50～300mm之间选取。

7.根据权利要求1所述的反向共线瞬态热反射测量系统，其特征在于，声光调制器(8)的调制频率范围为1kHz～10MHz。

8.根据权利要求1所述的反向共线瞬态热反射测量系统，其特征在于，光电探测器(12)采用响应时间小于2ns的探测器。

9.根据权利要求1所述的反向共线瞬态热反射测量系统，其特征在于，第一扩束镜(14)和第二扩束镜(17)分别采用3～5倍扩束镜。

10.根据权利要求1所述的反向共线瞬态热反射测量系统，其特征在于，位移平台(23)移动精度为每步100纳米，扫描范围大于150毫米，相应的光程延时范围大于1ns。