CN103175823A - 双延迟位移平台飞秒激光瞬态热反射系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双延迟位移平台飞秒激光瞬态热反射系统，属于激光技术应用领域，常用于微纳米材料热物性测量。本发明包括激光器（1），用于输出光束；分束器（2），用于将激光器（1）输出光束分成两束，一束为泵浦光，用以加热样品，另外一束是探测光，用以探测样品表面温度变化；起偏器（4），用于将激光器（1）输出的水平线性偏振光转变为垂直线性偏振光；泵浦光第一凸透镜（5），用于聚焦经起偏器（4）输出的垂直线性偏振光，并进入声光调制器（6）；声光调制器（6），用于调制泵浦光，此时，泵浦光加载调制频率。本发明一方面降低了光路校准和准直的难度，提高了测量精度；另一方面，这种技术还具有检测较短延迟时间数据的功能。

Description

双延迟位移平台飞秒激光瞬态热反射系统

技术领域

本发明基于泵浦探测瞬态热反射技术，按技术领域分类属于激光技术领域。 

背景技术

随着激光锁模技术的发展，飞秒激光泵浦探测技术被广泛应用于微纳米尺度材料热物性的测量。在这种技术中，泵浦光和探测光到达样品典型延迟时间范围为0ns～4ns，这个时间延迟范围使得对于较厚金属材料、较小热扩散率和较小界面热导材料的热物性难以测量。当两者延迟时间超过4ns时，由于延迟位移平台机械精度的限制以及光束的发散，很难保障探测光束校准和准直，从而降低测量数据的可信度。 

为了解决这个问题，Capinski等采用单模光纤方法降低了光束的校准和准直难度，但是对于长延迟时间仍旧没有得到很好解决。Taketoshi等采用电调制的方法避免了机械延迟位移平台带来的缺陷，但是这种方法需要两台激光器，价格昂贵。其它一些改进方法要么是应用范围有限，要么是调整过程复杂，使用不便。 

为了降低探测光束校准和准直难度，本发明采用了双延迟位移平台，其主要特点是：在原有光路的基础上，在泵浦光路上同时添加一个延迟位移平台，这样系统的延迟时间可以增加一倍，而光路调整难度却不变，同时具有检测数据功能。 

发明内容

技术问题：本发明目的是在不增加光路调整难度前提下，提供一种双延迟位移平台飞秒激光瞬态热反射系统，在泵浦光路增加一个延迟位移平台达到增大延迟时间的目的，从而提高测量精度。 

技术方案：所采用的技术方案是：本发明提供了一种双延迟位移平台飞秒激光瞬态热反射系统，该系统包括 

激光器，用于输出光束； 

分束器，用于将激光器输出光束分成两束，一束为泵浦光，用以加热样品，另外 一束是探测光，用以探测样品表面温度变化； 

在泵浦光路： 

起偏器，用于将激光器输出的水平线性偏振光转变为垂直线性偏振光； 

泵浦光第一凸透镜，用于聚焦经起偏器输出的垂直线性偏振光，并进入声光调制器； 

声光调制器，用于调制泵浦光，此时，泵浦光加载调制频率； 

可调光阑，用于将声光调制器输出+1级光束通过而阻挡其它分级光束； 

泵浦光第一扩束准直透镜，用于调节声光调制器输出激光光束，使其变为放大准直光束； 

泵浦光第一反射镜，用于将通过泵浦光第一扩束准直透镜处理的准直光束进行反射偏转，并投射到泵浦光延迟位移平台上的泵浦光第三反射镜； 

泵浦光直角棱镜，从泵浦光第三反射镜出来的光束，经过泵浦光直角棱镜反转后进入泵浦光第四反射镜； 

泵浦光第四反射镜，泵浦光进入泵浦光第四反射镜再次反转进入泵浦光第二反射镜； 

泵浦光第二反射镜，用于反射偏转泵浦光，并投射到泵浦光第二扩束准直透镜，此时，泵浦光束再次被准直放大并投射到泵浦光第五反射镜； 

泵浦光第五反射镜，用于反射偏转泵浦光，并投射到泵浦光第二凸透镜； 

泵浦光第二凸透镜，投射到泵浦光第二凸透镜光束聚焦到样品表面，完成样品加热功能； 

在探测光路： 

探测光第一扩束准直透镜，从分束器输出的激光光束，经过探测光第一扩束准直透镜变成放大准直光束并投射到探测光第二反射镜； 

探测光第二反射镜，用于反射偏转探测光，并投射到探测光延迟位移平台上探测光第四反射镜； 

探测光直角棱镜，从探测光第四反射镜出来的探测光束进入探测光直角棱镜反转后回射到探测光第三反射镜； 

探测光第一反射镜，从探测光第三反射镜出来的探测光束投射到探测光第一反射镜反射偏转后进入探测光第二扩束准直透镜，完成探测光再次准直放大； 

探测光第一凸透镜,接收探测光第二扩束准直透镜出来的光束并聚焦到样品表面泵浦光加热中心。 

优选的，泵浦光扩束准直由泵浦光第一扩束准直透镜调节。 

优选的，探测光扩束准直由探测光第一扩束准直透镜调节。 

有益效果：本发明采用上述技术方案后有益效果是： 

1、本发明在不增加光路调整难度的前提下增大了延迟时间，提高了测量精度。不仅可以用于短延迟时间测量，也可以用于较长延迟时间测量。 

2、可以检测较短延迟时间测量数据准确性。如果在4ns处，两次测量数据能够很好衔接，说明前4ns测量数据是正确的。 

附图说明

图1为本发明实施例中结构示意图 

图中：1、钛蓝宝石脉冲飞秒激光器，2、分束器，3、待测样品，4、起偏器，5、泵浦光第一凸透镜，6、声光调制器，7、可调光阑，8、泵浦光第一扩束准直透镜，9、泵浦光第一反射镜，10、泵浦光第二反射镜，11、泵浦光直角棱镜，12、泵浦光第二扩束准直透镜，13、泵浦光延迟位移平台，14、泵浦光第三反射镜，15、泵浦光第四反射镜，16、泵浦光第五反射镜，17、泵浦光第二凸透镜，18、光电探测器，19、检偏器，20、探测光缩束透镜，21、探测光第二扩束透镜，22、探测光第一反射镜，23、探测光第一凸透镜，24、光挡板，25、探测光第二反射镜，26、探测光直角棱镜，27、探测光第一扩束准直透镜，28、探测光第三反射镜，29、探测光第四反射镜，30、探测光延迟位移平台。 

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。 

本发明提供的一种双延迟位移平台飞秒激光瞬态热反射系统，该系统包括 

激光器1，用于输出光束； 

分束器2，用于将激光器1输出光束分成两束，一束为泵浦光，用以加热样品，另外一束是探测光，用以探测样品表面温度变化； 

在泵浦光路： 

起偏器4，用于将激光器1输出的水平线性偏振光转变为垂直线性偏振光； 

泵浦光第一凸透镜5，用于聚焦经起偏器4输出的垂直线性偏振光，并进入声光调制器6； 

声光调制器6，用于调制泵浦光，此时，泵浦光加载调制频率； 

可调光阑7，用于将声光调制器6输出+1级光束通过而阻挡其它分级光束； 

泵浦光第一扩束准直透镜8，用于调节声光调制器6输出激光光束，使其变为放大准直光束； 

泵浦光第一反射镜9，用于将通过泵浦光第一扩束准直透镜8处理的准直光束进行反射偏转，并投射到泵浦光延迟位移平台13上的泵浦光第三反射镜14； 

泵浦光直角棱镜11，从泵浦光第三反射镜14出来的光束，经过泵浦光直角棱镜11反转后进入泵浦光第四反射镜15； 

泵浦光第四反射镜15，泵浦光进入泵浦光第四反射镜15再次反转进入泵浦光第二反射镜10； 

泵浦光第二反射镜10，用于反射偏转泵浦光，并投射到泵浦光第二扩束准直透镜12，此时，泵浦光束再次被准直放大并投射到泵浦光第五反射镜16； 

泵浦光第五反射镜16，用于反射偏转泵浦光，并投射到泵浦光第二凸透镜17； 

泵浦光第二凸透镜17，投射到泵浦光第二凸透镜17光束聚焦到样品表面，完成样品加热功能； 

在探测光路： 

探测光第一扩束准直透镜27，从分束器2输出的激光光束，经过探测光第一扩束准直透镜27变成放大准直光束并投射到探测光第二反射镜25； 

探测光第二反射镜25，用于反射偏转探测光，并投射到探测光延迟位移平台30上探测光第四反射镜29； 

探测光直角棱镜26，从探测光第四反射镜29出来的探测光束进入探测光直角棱镜26反转后回射到探测光第三反射镜28； 

探测光第一反射镜22，从探测光第三反射镜28出来的探测光束投射到探测光第一反射镜22反射偏转后进入探测光第二扩束准直透镜21，完成探测光再次准直放大； 

探测光第一凸透镜23,接收探测光第二扩束准直透镜21出来的光束并聚焦到样品表面泵浦光加热中心。 

泵浦光扩束准直由泵浦光第一扩束准直透镜8调节。 

探测光扩束准直由探测光第一扩束准直透镜27调节。 

主要思路是首先固定泵浦光延迟位移平台13在零点位置，移动探测延迟位移平台30，可以测量0ns～4ns数据，然后将泵浦光延迟位移平台13移动到4ns处，再次移动探测延迟位移平台30，可以测量4ns～8ns数据。如果在4ns处，两段数据能够很好衔接，说明整个光路调整比较完美。这个技术方案主要部件及其作用如下： 

分束器2用于将钛蓝宝石脉冲飞秒激光器1输出光束分成两束； 

起偏器4将将钛蓝宝石脉冲飞秒激光器1输出的水平线性偏振光转变为垂直线性偏振光； 

泵浦光第一凸透镜5用于聚焦泵浦光束并进入声光调制器6； 

声光调制器6用于调制泵浦光； 

可调光阑7可以让声光调制器6输出的+1级光束通过而阻挡其它分级光束； 

泵浦光第一扩束准直透镜8用于调节声光调制器6输出激光光束，使其变为准直（平行）光束； 

泵浦光第一反射镜9用于反射偏转泵浦光，并投射到泵浦光延迟位移平台13上泵浦光第三反射镜14； 

泵浦光直角棱镜11用于反转泵浦光并回射到泵浦光第四反射镜15； 

泵浦光第二反射镜10用于反射偏转泵浦光，并投射到泵浦光第二扩束准直透镜12； 

泵浦光第五反射镜16用于反射偏转泵浦光，并投射到泵浦光第二凸透镜17； 

探测光第一扩束准直透镜27用于调节分束器2输出激光光束，使其变为准直（平行）光束； 

探测光第二反射镜25用于反射偏转探测光，并投射到探测光延迟位移平台30上探测光第四反射镜29； 

探测光直角棱镜26用于反转探测光并回射到探测光第三反射镜28； 

探测光第一反射镜22用于反射偏转探测光，并投射到探测光第二扩束准直透镜21； 

探测光第一凸透镜23接收并聚焦探测光到样品表面。 

在原理和配置上，本发明与最接近技术的共有特征是：飞秒激光输出光束被分束器2 分成两束光，一束是泵浦光，用来加热样品的表面；另外一束是探测光，用来探测样品表面温度的变化。泵浦光被声光调制器6或者电光调制器调制。测量过程中，泵浦光程固定，而探测光程随着延迟位移平台移动相对泵浦光程有变化。在原理和配置上，本发明与最接近技术不同特征是：泵浦光程可以变化，测量过程可以有三种方案，一、首先固定泵浦光程在零点位置，用探测光测量0ns～4ns数据，然后泵浦光程移动到4ns处，再用探测光测量4ns～8ns数据。二、首先固定探测光程，用泵浦光测量0ns～4ns数据，然后探测光程移动到4ns处，再用泵浦光测量4ns～8ns数据。三、固定泵浦光在零点位置，用探测光测量0ns～4ns数据，探测光程保持在4ns处，再用泵浦光测量4ns～8ns数据。 

钛—蓝宝石脉冲飞秒激光器1输出的脉冲激光经过分束器2后分成两束，一束为泵浦光，用以加热样品，另外一束是探测光，用以探测样品表面温度变化。钛—蓝宝石脉冲飞秒激光器1输出的光束是水平线偏振光，经过起偏器4后为垂直线性偏振光。垂直线性偏振光经过泵浦光第一凸透镜5入射声光调制器6，此时垂直线性偏振光被调制分成四级，可调光阑7使+1级光束通过，其它分级光束被阻挡。泵浦光第一扩束准直透镜8用于将泵浦光扩束并准直，仔细调整泵浦光第一反射镜9，使泵浦光平行于泵浦光延迟位移平台13移动方向并垂直泵浦光第三反射镜14斜面。然后调整泵浦光直角棱镜11，使泵浦光平行于泵浦光延迟位移平台13移动方向并垂直泵浦光第四反射镜15斜面。从泵浦光第四反射镜15出射光线经过泵浦光第二反射镜10、泵浦光第二扩束准直透镜12、泵浦光第五反射镜16、泵浦光第二凸透镜17聚焦在样品的表面。 

分束器2反射的探测光首先经过探测光第一扩束准直透镜27入射到探测光第二反射镜25，仔细调整探测光第二反射镜25使探测光平行于探测光延迟位移平台30移动方向并垂直于探测光第四反射镜29斜面，然后调整探测光直角棱镜26，使探测光平行探测光延迟位移平台30并垂直探测光第三反射镜28斜面。从探测光第三反射镜28出射光线经过探测光第一反射镜22、探测光第二扩束透镜21、探测光第一凸透镜23聚焦到泵浦光加热区域中心，探测光经过样品反射后进入探测光缩束透镜20、检偏器19进入光电探测器18，从而完成了样品表面温度的测量。 

采用单延迟位移平台，由于光路校准和准直限制，很难实现较长延迟时间数据采集。在实验室原有的瞬态热反射系统的基础上，通过在泵浦光路中添加了一个延迟位移平台、两个反射镜、一个直角大棱镜以及一个扩束准直透镜组，发展了双延迟位移平台飞秒激光瞬态热反射系统，使延迟时间从2ns增加到8ns。采用双延迟位移平台技术，相比于同等延迟时间单延迟位移平台，一方面降低了光路校准和准直的难度，提高了测量精度；另一方面，这种技术还具有检测较短延迟时间数据的功能。 

Claims (3)

1.一种双延迟位移平台飞秒激光瞬态热反射系统，其特征在于：该系统包括

激光器（1），用于输出光束；

分束器（2），用于将激光器（1）输出光束分成两束，一束为泵浦光，用以加热样品，另外一束是探测光，用以探测样品表面温度变化；

在泵浦光路：

起偏器（4），用于将激光器（1）输出的水平线性偏振光转变为垂直线性偏振光；

泵浦光第一凸透镜（5），用于聚焦起偏器（4）输出的垂直线性偏振光，并进入声光调制器（6）；

声光调制器（6），用于调制泵浦光，此时，泵浦光加载调制频率；

可调光阑（7），用于将声光调制器（6）输出+1级光束通过而阻挡其它分级光束；

泵浦光第一扩束准直透镜（8），用于调节声光调制器（6）输出激光光束，使其变为放大准直光束；

泵浦光第一反射镜（9），用于将通过泵浦光第一扩束准直透镜（8）处理的准直光束进行反射偏转，并投射到泵浦光延迟位移平台（13）上的泵浦光第三反射镜（14）；

泵浦光直角棱镜（11），从泵浦光第三反射镜（14）出来的光束，经过泵浦光直角棱镜（11）反转后进入泵浦光第四反射镜（15）；

泵浦光第四反射镜（15），泵浦光进入泵浦光第四反射镜（15）再次反转进入泵浦光第二反射镜（10）；

泵浦光第二反射镜（10），用于反射偏转泵浦光，并投射到泵浦光第二扩束准直透镜（12），此时，泵浦光束再次被准直放大并投射到泵浦光第五反射镜（16）；

泵浦光第五反射镜（16），用于反射偏转泵浦光，并投射到泵浦光第二凸透镜（17）；

泵浦光第二凸透镜（17），投射到泵浦光第二凸透镜（17）光束聚焦到样品表面，完成样品加热功能；

在探测光路：

探测光第一扩束准直透镜（27），从分束器（2）输出的激光光束，经过探测光第一扩束准直透镜（27）变成放大准直光束并投射到探测光第二反射镜（25）；

探测光第二反射镜（25），用于反射偏转探测光，并投射到探测光延迟位移平台（30）上探测光第四反射镜（29）；

探测光直角棱镜（26），从探测光第四反射镜（29）出来的探测光束进入探测光直角棱镜（26）反转后回射到探测光第三反射镜（28）；

探测光第一反射镜（22），从探测光第三反射镜（28）出来的探测光束投射到探测光第一反射镜（22）反射偏转后进入探测光第二扩束准直透镜（21），完成探测光再次准直放大；

探测光第一凸透镜(23),接收探测光第二扩束准直透镜（21）出来的光束并聚焦

到样品表面泵浦光加热中心。

2.根据权利要求1所述的双延迟位移平台飞秒激光瞬态热反射系统，其特征在于：泵浦光扩束准直由泵浦光第一扩束准直透镜（8）调节。

3.根据权利要求1所述的双延迟位移平台飞秒激光瞬态热反射系统，其特征在于：探测光扩束准直由探测光第一扩束准直透镜（27）调节。