CN106546536A - 一种高精度薄膜弱吸收测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种高精度薄膜弱吸收测试装置及方法，当平行探测光照射环形光阑，经过环形光阑的光成为环形光束；由泵浦光在薄膜样品上引起的温升在样品内部形成的“热透镜”，热透镜区域将直接引入一个位相因子，环形光束经透镜聚焦后通过热透镜区域；反射光经过辅助透镜调节使环形光束与相环大小一致，环形光束完全投影在相环上；这样直射光经过相环，衍射光经过相板其它部分；直射光与衍射光干涉叠加，使微小的相位差转变为较大的光强差，探测光强分布就能判断薄膜样品的吸收率。本发明在热透镜技术基础上引入相衬技术使热畸变信号得到放大，所以相比现有技术有更高的精度、稳定性，且操作简单。

Description

一种高精度薄膜弱吸收测试装置及方法
技术领域
本发明属于光学测试领域，具体为一种高精度薄膜弱吸收测试装置及方法。
背景技术
随着激光功率的不断提高，对激光薄膜质量要求也越来越高。在强激光下，薄膜微弱的吸收也可引起薄膜的损伤，为了改善薄膜质量，提高损伤阈值，就需要精确测量薄膜弱吸收。
目前主要的薄膜弱吸收测量技术有：光热偏转技术和表面热透镜技术。光热偏转技术测量精度依赖探测光斑和泵浦光的相对位置，因此造成调节比较困难，而且系统稳定性较差。表面热透镜技术是通过测量入射到探测器上探测光束的光强变化得到样品的吸收，由于引入大光斑探测使表面热透镜技术操作简单、测量精度和重复率都得到提高。但目前的表面热透镜技术在测量过程中仍存在热畸变信号微弱，测量精度不高的问题。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种高精度薄膜弱吸收测试装置及方法，在热透镜技术基础上引入相衬技术使热畸变信号得到放大，所以相比现有技术有更高的精度、稳定性，且操作简单。
本发明的技术方案为：
所述一种高精度薄膜弱吸收测试装置，其特征在于：包括泵浦激光器1、聚焦透镜2、环形光阑3、透镜4、辅助透镜5、相板6和光电探测器7；
泵浦激光器1输出的激光经过聚焦透镜2能够聚焦到薄膜样品表面，形成“热透镜”区域；
平行激光探测光束经过环形光阑3形成环形光束，透镜4能够聚焦环形光束到薄膜样品表面“热透镜”区域，并被薄膜样品表面反射；
反射光经过辅助透镜5和相板6，通过调节辅助透镜5或相板6，能够使反射光中的直射光经过相板6的相环，反射光中的衍射光经过相板其它部分；所述相板6为带有圆形相环的透射板，相环部分具有衰减直射光并改变直射光相位的膜层；
直射光与衍射光干涉叠加后能够被光电探测器7接收探测。
进一步的优选方案，所述一种高精度薄膜弱吸收测试装置，其特征在于：环形光阑环数在1-100范围内。
进一步的优选方案，所述一种高精度薄膜弱吸收测试装置，其特征在于：相板环数在1-100范围内。
所述一种高精度薄膜弱吸收测试方法，其特征在于：泵浦激光器1输出激光经过聚焦透镜2聚焦到薄膜样品表面，形成“热透镜”区域；平行激光探测光束经过环形光阑3形成环形光束，透镜4聚焦环形光束到薄膜样品表面“热透镜”区域，并被薄膜样品表面反射；反射光经过辅助透镜5和相板6，通过调节辅助透镜5或相板6，使反射光中的直射光经过相板6的相环，反射光中的衍射光经过相板其它部分；直射光与衍射光干涉叠加后被光电探测器7接收探测；光电探测器7探测接收光的光强分布，实现对薄膜弱吸收的测试。
有益效果
本发明提出的高精度薄膜弱吸收测试装置及方法，在热透镜技术基础上引入相衬技术使热畸变信号得到放大，相比现有技术有更高的精度、稳定性，且操作简单。
附图说明
图1：本发明的结构组成示意图。
其中：1泵浦激光器、2聚焦透镜、3环形光阑、4透镜、5辅助透镜、6相板、7光电探测器。
图2：本发明中环形光阑与相位环图。
具体实施方式
下面结合具体实施例描述本发明：
针对现有薄膜弱吸收测量技术中光热偏转技术和表面热透镜技术存在的问题，本发明提出了一种高精度薄膜弱吸收测试装置及方法，在热透镜技术基础上引入相衬技术使热畸变信号得到放大。
其基本原理是：基于相衬原理，当泵浦光照射在薄膜样品上，样品将产生热吸收效应，引起的温升在样品内部形成了一个“热透镜”，如果将反射光线围绕样品表面做镜像反转，则反射光可以看成是带有位相畸变的透射光，该热透镜将直接引入一个位相因子(相当于该热透镜引入一个位相因子)。相衬法可以观察非常微小的位相变化，当相位板的透射系数等于0.01时，可观察最小位相变化0.0005rad，相当于光程差0.05nm。采用一束平行探测光照射环形光阑，经过环形光阑的光成为环形光束，环形光束经透镜聚焦后通过热透镜区域。反射光经过辅助透镜调节使环形光束与相环大小一致，环形光束完全投影在相环上。这样直射光经过相环，衍射光经过相板其它部分。直射光与衍射光干涉叠加，使微小的相位差转变为较大的光强差，理论上在样品形变不大的情况下，光热信号与形变高度有一段线性区域，而形变高度正比于薄膜的吸收系数，通过测量入射到探测器上的探测光束的光强变化得到样品的吸收。
基于上述原理，如图1所示，本实施例中的高精度薄膜弱吸收测试装置，包括泵浦激光器1、聚焦透镜2、环形光阑3、透镜4、辅助透镜5、相板6和光电探测器7；泵浦激光器1输出的激光经过聚焦透镜2能够聚焦到薄膜样品表面，形成“热透镜”区域；平行激光探测光束经过环形光阑3形成环形光束，透镜4能够聚焦环形光束到薄膜样品表面“热透镜”区域，并被薄膜样品表面反射；反射光经过辅助透镜5和相板6，通过调节辅助透镜5或相板6，能够使反射光中的直射光经过相板6的相环，反射光中的衍射光经过相板其它部分；所述相板6为带有圆形相环的透射板，相环部分具有衰减直射光并改变直射光相位的膜层；直射光与衍射光干涉叠加后能够被光电探测器7接收探测。
利用上述装置进行高精度薄膜弱吸收测试方法的过程为：泵浦激光器1输出激光经过聚焦透镜2聚焦到薄膜样品表面，形成“热透镜”区域；平行激光探测光束经过环形光阑3形成环形光束，透镜4聚焦环形光束到薄膜样品表面“热透镜”区域，并被薄膜样品表面反射；“热透镜”相当于一个相位屏，且探测光经样品反射后带有相位畸变；反射光经过辅助透镜5和相板6，通过调节辅助透镜5或相板6位置，使反射光中的直射光经过相板6的相环，反射光中的衍射光经过相板其它部分；直射光与衍射光干涉叠加，使微小的相位差转变为较大的光强差，而后被光电探测器7接收探测；光电探测器7探测接收光的光强分布，光信号的强度变化反映了薄膜的吸收特性，测量其强度变化就得到薄膜的吸收。从光电探测器输出的测量信号输入计算机进行实时处理。

Claims (4)

1.一种高精度薄膜弱吸收测试装置，其特征在于：包括泵浦激光器1、聚焦透镜2、环形光阑3、透镜4、辅助透镜5、相板6和光电探测器7；
泵浦激光器1输出的激光经过聚焦透镜2能够聚焦到薄膜样品表面，形成“热透镜”区域；
平行激光探测光束经过环形光阑3形成环形光束，透镜4能够聚焦环形光束到薄膜样品表面“热透镜”区域，并被薄膜样品表面反射；
反射光经过辅助透镜5和相板6，通过调节辅助透镜5或相板6，能够使反射光中的直射光经过相板6的相环，反射光中的衍射光经过相板其它部分；所述相板6为带有圆形相环的透射板，相环部分具有衰减直射光并改变直射光相位的膜层；
直射光与衍射光干涉叠加后能够被光电探测器7接收探测。
2.根据权利要求1所述一种高精度薄膜弱吸收测试装置，其特征在于：环形光阑环数在1-100范围内。
3.根据权利要求1所述一种高精度薄膜弱吸收测试装置，其特征在于：相板环数在1-100范围内。
4.一种利用权利要求1所述装置进行高精度薄膜弱吸收测试的方法，其特征在于：泵浦激光器1输出激光经过聚焦透镜2聚焦到薄膜样品表面，形成“热透镜”区域；平行激光探测光束经过环形光阑3形成环形光束，透镜4聚焦环形光束到薄膜样品表面“热透镜”区域，并被薄膜样品表面反射；反射光经过辅助透镜5和相板6，通过调节辅助透镜5或相板6，使反射光中的直射光经过相板6的相环，反射光中的衍射光经过相板其它部分；直射光与衍射光干涉叠加后被光电探测器7接收探测；光电探测器7探测接收光的光强分布，实现对薄膜弱吸收的测试。
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