CN102944518B - 基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测方法 - Google Patents

基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102944518B
CN102944518B CN201210468840.1A CN201210468840A CN102944518B CN 102944518 B CN102944518 B CN 102944518B CN 201210468840 A CN201210468840 A CN 201210468840A CN 102944518 B CN102944518 B CN 102944518B
Authority
CN
China
Prior art keywords
sample
transient state
state body
light beam
body grating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201210468840.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102944518A (zh
Inventor
吴周令
陈坚
黄明
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hefei Zhichang Photoelectric Technology Co.,Ltd.
Original Assignee
Hefei Livermore Instrument Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hefei Livermore Instrument Technology Co ltd filed Critical Hefei Livermore Instrument Technology Co ltd
Priority to CN201210468840.1A priority Critical patent/CN102944518B/zh
Publication of CN102944518A publication Critical patent/CN102944518A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102944518B publication Critical patent/CN102944518B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测方法，首先泵浦光束透过被测样品后被反射装置反射重新进入被测样品内部与初始入射的泵浦光束重叠，由于光学干涉效应形成驻波，产生周期性光强分布，形成瞬态体光栅，探测光束入射到被测样品内部瞬态体光栅区域，由于瞬态体光栅的衍射效应，最终探测光束被分成衍射光束和透射光束，通过检测衍射光束或透射光束的强度、位相以及其随时间的变化获得被测样品材料的相关特性。本发明的光路简单、瞬态光栅特性稳定，在实际应用中将有利于相关分析检测仪器的系统集成和微型化，获得更好的可靠性和稳定性，可以用于光热检测、光声检测、半导体动态输运特性检测、光热生物及医学检测、光热光谱检测及光学材料非线性光学特性分析等多个领域。

Description

基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测方法
技术领域
本发明涉及激光激发瞬态光栅效应及其应用领域，具体是一种基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测方法。
背景技术
激光激发瞬态光栅技术（thelaser-inducedtransientgratingtechnique）广泛用于各类材料的特性研究和分析，特别是材料光热响应、光声效应、驰豫及输运特性、以及非线性光学特性等的研究和分析。
激光激发瞬态光栅技术的基本原理可以描述如下：两束相干激光束（通常称泵浦光）在材料表面或内部重叠，由于光学干涉效应，在两束光的重叠区域将产生周期性的光强分布；这种周期性的光强分布在与材料相互作用时将对材料特性产生周期性的空间调制；这种周期性的空间调制将对入射其中的第三束光（通常称探测光）产生衍射效应；通过检测和分析探测光的衍射效应就能获得材料的相关特性。
根据泵浦光与被测材料相互作用的不同原理及其具体的检测方法，激光激发瞬态光栅技术可用来分析材料的光热特性、光声相应、驰豫及输运特性、以及非线性光学特性等。
现有的激光诱导瞬态光栅技术根据泵浦光的特性可大体上分为两大类。第一类是利用光强调制的连续激光来作为泵浦光，利用材料的光学吸收而产生的光热效应或者半导体材料的光激发载流子效应等而获得与泵浦光空间分布相对应的瞬态光栅。该方法的优点是可以利用锁相技术对探测光的衍射效应进行检测和分析，信噪比好，检测灵敏度高。
第二类是利用脉冲激光来作为泵浦光。当利用脉冲激光来作为泵浦光时，材料的光学吸收、半导体材料的光激发载流子效应、以及材料的光学折射率非线性效应等都可以产生瞬态光栅效应。具体应用时根据具体的材料特征和实验条件，可以用一种或多种物理模型来对结果进行模拟和分析，从而获得被测材料的相关特性。
不管是利用光强调制的连续激光还是利用脉冲激光作为泵浦光源，在已有的激光激发瞬态光栅技术中，瞬态光栅都是通过两束相干激光的干涉而形成的。这种方法先要把一束相干的激光一分为二，再通过一套光学装置让这两束光在样品表面或内部重叠，产生干涉效应。这种方法的优点是瞬态光栅的周期可以通过调整两束光的角度来进行调整，在测量时具有较强的灵活性；缺点是光路相对较为复杂，光路调整误差对光栅特性影响较大，从而在实际应用中不利于检测系统的稳定性、可靠性以及微型化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测方法，其具有光路简单、光栅特性稳定等特点，在实际应用中将有利于相关分析检测仪器的系统集成和微型化，获得更好的可靠性和稳定性。
本发明的技术方案为：
基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测方法，包括以下步骤：
（1）、首先用泵浦光源相对被测样品表面发射泵浦光束，泵浦光束进入被测样品内部最终从被测样品背面出射，出射后的泵浦光束经设置于被测样品背面后端的反射装置反射重新进入被测样品内部与初始入射的泵浦光束重叠，在重叠区域内由于光学干涉效应形成驻波，产生周期性的光强分布，这种周期性的光强分布在与被测样品材料相互作用时将对被测样品材料特性产生周期性的空间调制，形成瞬态体光栅；
（2）、由探测光源发出的探测光束以与瞬态体光栅法线成一定角度的方向入射到被测样品内部并在被测样品内部瞬态体光栅区域产生衍射效应，入射的探测光束一部分将被衍射，一部分直接透射，即最终探测光束被分成衍射光束和透射光束；
（3）、通过检测衍射光束或透射光束的强度、位相以及其随时间的变化获得被测样品材料的相关特性。
所述的泵浦光束为光强调制的连续光或是脉冲光。
所述的探测光束从被测样品表面或被测样品侧面入射到被测样品内部。
本发明的原理：
本发明的瞬态体光栅随着泵浦光的光强变化而变化，当泵浦光消失时，它经过一段驰豫时间后也将消失，瞬态体光栅将对入射其中的探测光产生衍射效应，而通过检测和分析探测光的衍射效应就能获得材料的相关特性。
本发明来自被测样品表面和背面的多次反射现象对被测样品内部驻波场分布的影响可以忽略，这种忽略适用对镀有减反射膜的光学样品，另外它对厚度尺寸相对泵浦光相干长度而言很大的样品也是基本适用的；而在其他情况下，则可以通过把被测样品相对泵浦光倾斜一定角度放置而避免样品表面多次反射效应对样品体内驻波场分布产生很大影响，如图3所示。
本发明的优点：
（1）、本发明的光路简单、光栅特性稳定，在实际应用中将有利于相关分析检测仪器的系统集成和微型化，获得更好的可靠性和稳定性；
（2）、本发明在探测光路一致、泵浦光源功率相同的条件下，不需要对泵浦光进行分光，因此其所激发的干涉驻波场强度要比传统的双光束干涉方法增强很多，这在实际应用中可以在保持检测灵敏度不变的情况下较大幅度降低对泵浦光源的功率水平的要求，从而较大幅度降低相关检测与分析仪器的成本、体积和重量。
附图说明
图1是本发明探测光从被测样品表面入射的原理示意图。
图2是本发明探测光从被测样品侧面入射的原理示意图。
图3是本发明被测样品斜置的原理示意图。
图4是基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测装置的实施例结构示意图。
具体实施方式
基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测方法，包括以下步骤：
（1）、首先用泵浦光源1相对被测样品2表面发射泵浦光束，泵浦光束进入被测样品2内部并最终从被测样品2背面出射，出射后的泵浦光束经设置于被测样品2背面后端的高反射率镜4反射重新进入被测样品2内部与初始入射的泵浦光束重叠，在重叠区域内由于光学干涉效应形成驻波，产生周期性的光强分布，这种周期性的光强分布在与被测样品材料相互作用时将对被测样品材料特性产生周期性的空间调制，形成瞬态体光栅；
（2）、探测光源3发出的探测光束，以与瞬态体光栅法线成一定角度的方向入射到被测样品2上产生瞬态体光栅的区域，产生衍射效应，探测光束可以从被测样品2表面（见图1）或从被测样品2侧面（见图2）入射到被测样品2上，由于衍射效应，入射的探测光束一部分将被衍射，一部分为直接透射，即最终探测光被分成衍射光和透射光；实际应用中可以通过把被测样品相对泵浦光倾斜一定角度放置而避免样品表面多次反射效应对样品体内驻波场分布产生很大影响（见图3）。
（3）、通过检测衍射光或透射光的强度、位相以及其随时间的变化获得被测样品材料的相关特性；
其中，泵浦光束为光强调制的连续光或是脉冲光。图4是本发明所述的基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测装置的一种实施典例的结构示意图，包括有泵浦光源1，探测光源3，相对被测样品2背面设置的反射装置，顺次设置于泵浦光源1和被测样品2表面之间的泵浦光滤波扩束准直系统4、浦光束位置调整系统5和泵浦光聚焦透镜6，顺次设置于探测光源3和被测样品2表面之间的探测光滤波扩束准直系统7、探测光束位置调整系统8和探测光聚焦透镜9，以及设置于被测样品2背面和反射装置之间的泵浦光准直透镜10，顺次设置于被测样品2背面后端的探测光准直透镜13、探测光束调整透镜14、探测光空间滤波器15、探测光滤光片16和光电探测器17；其中，反射装置包括有反射镜装夹调整装置11和设置于反射镜装夹调整装置11上的高反射率镜12，被测样品2的放置角度满足其被测样品2表面与泵浦光束的入射方向之间形成合理的角度，以避免泵浦光在样品内部形成多次反射而影响样品内部的驻波场分布。
利用基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测装置进行检测的方法，具体包括以下步骤：
（1）、泵浦光源1发出脉冲泵浦光束，脉冲泵浦光束经过滤波扩束准直系统4后由泵浦光束位置调整系统5进行相对位置调整，然后通过泵浦光聚焦透镜6聚焦到被测样品2的内部，泵浦光聚焦透镜6具有相对较长的焦距，聚焦后的泵浦光束在被测样品2内部具有较长的焦深和适当的横向尺寸，然后从被测样品2出射的泵浦光束经过泵浦光准直透镜10后被高反射率镜12反射回来，在被测样品2内部与初始入射泵浦光束重叠，并在重叠区域内形成驻波场；高反射率镜12夹在能够灵活调整角度和位置的反射镜夹紧装置11上；由于被测样品2对泵浦光束波长存在光学吸收，在重叠区域内形成的驻波场将在相应区域内形成与驻波场光强相对应的周期性温度分布调制，从而激发瞬态热光栅效应，这种瞬态热光栅效应将由一种另一波长的探测光束进行探测；
（2）、探测光源3发出与泵浦激光束波长不同的探测光束，探测光束经过滤波扩束准直系统7后由探测光束位置调整系统8进行相对位置调整，然后通过探测光聚焦透镜9聚焦到被测样品2内部，探测光束入射方向与瞬态体光栅法线成一定角度，探测光聚焦透镜9具有合适的焦距，聚焦后的探测光束在被测样品2内部具有较长的焦深和适当的横向尺寸，并在适当离焦的位置与泵浦光激发的瞬态体光栅相互作用，产生衍射效应；入射的探测光束一部分将被衍射，一部分直接透射，即最终探测光束被分成衍射光束和透射光束；
（3）、透射光束经过探测光准直透镜13后由探测光束调整透镜14汇聚，汇聚光束由探测光束调整透镜14出射后经过探测光空间滤波器15和探测光滤光片16后入射到光电探测器17上；探测光空间滤波器15的主要功能是滤去透过体光栅的衍射光和其他来源于与探测光同样波长的杂散光，探测光滤光片16的主要功能是透过探测光同时过滤掉来源于泵浦光及其他波长的杂散光，光电探测器17得到的光强信号及其随时间的变化可以通过一定的检测电路和计算机来进行检测、分析和计算。如果泵浦光是脉冲光，则检测电路一般为同步相关检测电路（如Boxcar积分器）；如果泵浦光是强度调制的连续光，则检测电路一般为锁相检测电路（如Lock-in放大器）。
由于驻波场激发的瞬态体光栅的调制深度和驰豫时间等与被测样品的光学吸收、热学、驰豫及输运特性、以及非线性光学特性等都可能紧密相关，根据具体的实验条件，通过使用合适的物理模型和分析方法，激光激发瞬态光栅技术可用来分析材料的光热特性、光声相应、驰豫及输运特性、以及非线性光学特性等。

Claims (3)

1.基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、首先用泵浦光源相对被测样品表面发射泵浦光束，泵浦光束进入被测样品内部最终从被测样品背面出射，出射后的泵浦光束经设置于被测样品背面后端的反射装置反射重新进入被测样品内部与初始入射的泵浦光束重叠，在重叠区域内由于光学干涉效应形成驻波，产生周期性的光强分布，这种周期性的光强分布在与被测样品材料相互作用时将对被测样品材料特性产生周期性的空间调制，形成瞬态体光栅；
（2）、由探测光源发出的探测光束以与瞬态体光栅法线成一定角度的方向入射到被测样品内部并在被测样品内部瞬态体光栅区域产生衍射效应，入射的探测光束一部分将被衍射，一部分直接透射，即最终探测光束被分成衍射光束和透射光束；
（3）、通过检测衍射光束或透射光束的强度、位相以及其随时间的变化获得被测样品材料的相关特性。
2.根据权利要求1所述的基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测方法，其特征在于：所述的泵浦光束为光强调制的连续光或是脉冲光。
3.根据权利要求1所述的基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测方法，其特征在于：所述的探测光束从被测样品表面或被测样品侧面入射到被测样品内部。
CN201210468840.1A 2012-11-20 2012-11-20 基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测方法 Active CN102944518B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210468840.1A CN102944518B (zh) 2012-11-20 2012-11-20 基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210468840.1A CN102944518B (zh) 2012-11-20 2012-11-20 基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102944518A CN102944518A (zh) 2013-02-27
CN102944518B true CN102944518B (zh) 2015-12-02

Family

ID=47727480

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201210468840.1A Active CN102944518B (zh) 2012-11-20 2012-11-20 基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102944518B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104897375B (zh) * 2015-06-17 2017-09-29 中国科学院光电研究院 精确测量高能紫外激光系统中光学镜片透过率的装置和方法
CN106324471A (zh) * 2016-11-07 2017-01-11 南京大学 利用瞬态载流子光栅技术的信号测量方法
CN108871640B (zh) * 2018-06-13 2020-03-31 西安交通大学 基于瞬态光栅激光超声表面波的残余应力无损检测系统和方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4198162A (en) * 1978-05-23 1980-04-15 Bell Telephone Laboratories, Incorporated Tunable wide angular aperture filter by degenerate four-wave mixing
JPH0251291A (ja) * 1988-08-15 1990-02-21 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 半導体レーザ周波数安定化装置
US5479256A (en) * 1992-12-04 1995-12-26 Research Development Corp. Of Japan Transient grating spectroscopy
CN1391145A (zh) * 2002-07-30 2003-01-15 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种飞秒超快过程的测量方法及装置
JP2005003665A (ja) * 2003-05-21 2005-01-06 National Institute For Materials Science 汎用ナノスケール計測技術による熱拡散率一点測定法
EP2157420A1 (en) * 2008-08-22 2010-02-24 ETH Zurich Apparatus and method for investigating a sample using an electro-optic THz-transceiver with the reflected pump beam being used as the probe beam
CN202916182U (zh) * 2012-11-20 2013-05-01 合肥知常光电科技有限公司 基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4198162A (en) * 1978-05-23 1980-04-15 Bell Telephone Laboratories, Incorporated Tunable wide angular aperture filter by degenerate four-wave mixing
JPH0251291A (ja) * 1988-08-15 1990-02-21 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 半導体レーザ周波数安定化装置
US5479256A (en) * 1992-12-04 1995-12-26 Research Development Corp. Of Japan Transient grating spectroscopy
CN1391145A (zh) * 2002-07-30 2003-01-15 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种飞秒超快过程的测量方法及装置
JP2005003665A (ja) * 2003-05-21 2005-01-06 National Institute For Materials Science 汎用ナノスケール計測技術による熱拡散率一点測定法
EP2157420A1 (en) * 2008-08-22 2010-02-24 ETH Zurich Apparatus and method for investigating a sample using an electro-optic THz-transceiver with the reflected pump beam being used as the probe beam
CN202916182U (zh) * 2012-11-20 2013-05-01 合肥知常光电科技有限公司 基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
超快速过程测量的频域技术;费浩生;《物理》;19900302;第19卷(第2期);参见第101页左栏,第102页左栏倒数第01段,第102页右栏倒数第01段、附图3 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN102944518A (zh) 2013-02-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101308091B (zh) 测量光学非线性的4f相位相干成像方法
CN102566048B (zh) 一种基于象散的样品轴向漂移补偿方法和装置
US10948347B2 (en) Far-infrared spectroscopy device
CN100427875C (zh) 激光共焦回馈显微测量装置
CN102169050A (zh) 一种反射率综合测量方法
CN111504612B (zh) 一种多光源激光损伤阈值的测试装置
JP2004527765A5 (zh)
CN102944518B (zh) 基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测方法
KR20120130772A (ko) Ｆｒｅｔ 측정 방법 및 ｆｒｅｔ 측정 장치
CN101261224B (zh) 基于4f相位相干成像系统测量材料的光学非线性的方法
CN104360095A (zh) 一种基于无衍射光束的瞬时转速测量方法、装置及系统
CN201247199Y (zh) 测量光学非线性的4f相位相干成像装置
CN203037569U (zh) 测量固体热物性参数的光学系统
CN106248636B (zh) 一种测量材料非线性吸收曲线的方法
US20090274191A1 (en) Single beam optical apparatus and method
CN202916182U (zh) 基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测装置
CN104792501A (zh) 一种光腔衰荡高反射率测量的数据处理方法
CN101315301B (zh) 双光路去噪声载波-包络相位测量装置
JP4009442B2 (ja) 低コヒーレンス干渉法を用いた動的光散乱測定装置
CN102636337A (zh) 一种测量光纤色散的方法
JP4284284B2 (ja) 光熱変換測定装置及びその方法
CN104749137B (zh) 液体折射率的测量系统及测量方法
CN102854134B (zh) 一种基于能量回收原理的增强光激发波信号的光学系统
CN103454074A (zh) 一种小孔径高反镜反射率测量方法
CN106404695B (zh) 分光光度计

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: HEFEI LIFO MOER INSTRUMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY

Free format text: FORMER OWNER: HEFEI ZHICHANG PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY CO., LTD.

Effective date: 20150902

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20150902

Address after: 230088, building C4, building 800, anime base, No. 206 Wangjiang West Road, Anhui, Hefei

Applicant after: Hefei Zhichang Photoelectric Technology Co.,Ltd.

Address before: 230031, 2 floor, floor 208, C4 building, 800 Wangjiang West Road, Wangjiang hi tech Zone, Anhui, Hefei

Applicant before: Hefei Zhichang Photoelectric Technology Co.,Ltd.

C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant