CN116908126A - 一种强激光辐照光学元件的瞬态吸收测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种强激光辐照光学元件的瞬态吸收测量方法及装置，属于强激光辐照损伤技术领域，采用纳秒光脉冲作为泵浦光，采用飞秒光脉冲作为探测光，在泵浦光泵浦待测样品时，探测光转变为空间光束耦合至待测样品并透射过待测样品，透射探测光经过时域拉伸后将光谱强度信息映射到其时域强度波形上，采用光电探测器将光脉冲信号转换为电脉冲信号，电脉冲信号采集和处理后，获得待测样品在泵浦光泵浦时的瞬态吸收光谱，本发明利用时域拉伸技术能够完整、准确地实现待测样品在亚阈值激光预处理或激光损伤过程中超快瞬态吸收光谱的测量。
Description
技术领域
本发明属于强激光辐照损伤技术领域，具体地说涉及一种强激光辐照光学元件的瞬态吸收测量方法及装置。
背景技术
强激光辐照下光学元件的激光损伤问题严重制约了大型高功率激光装置的三倍频激光输出通量和光学元件的使用寿命。深刻认识强激光与光学元件相互作用的精细物理过程及作用机制，为光学元件的抗激光损伤能力的提升提供理论基础和科学数据支撑，对提升大型高功率激光装置负载能力具有重要科学意义。光学元件的强激光辐照损伤是一个复杂的物理过程，美国罗彻斯特大学的Papernov等人[S.Papernov.Defect-induceddamage.Laser-Induced Damage in Optical Materials,2014:25-74.]提出了小球缺陷吸收损伤模型，指出缺陷吸收辐照激光能量并诱发光致电离，产生大量的导带电子，电子的能量传递给晶格并造成晶格温度急剧升高，可能会造成缺陷周围基质材料的禁带崩塌，从而引起基质材料强烈吸收，最终引发熔化甚至爆炸性损伤点。与此同时，强激光辐照光学元件激光损伤，具有尺度极小、过程超快和分布无序的特点，使得常规研究手段难以识别和诊断其激光损伤的瞬态吸收过程和物理机制。
目前，主要有两种方法可用于强激光辐照下光学元件的瞬态吸收特性测试：1)利用高时间分辨的泵浦-探测超快成像技术(S.G.Demos,R.A.Negres,R.N.Raman,M.D.Feit,K.R.Manes,A.M.Rubenchik.Relaxation dynamics of nanosecond laser superheatedmaterial in dielectrics.Optica,2015,2(8):765-772.)，可以捕获强激光辐照下的损伤显微图像及时间尺度，以及损伤爆发阶段的吸收弛豫特性；泵浦-探测超快成像技术优点是时间分辨率高，单幅有效像素点多，空间分辨率高，但其最大的局限性是没有时序分多幅成像能力，一次只能获取一个时刻的瞬态图像，需要多次不同延时的重复实验来拼接完整超快过程，要求所观测的超快过程必须具有高度可重复性和一致性；2)利用基于泵浦探测技术的瞬态吸收光谱仪，泵浦激光入射到样品上将样品从基态激发到激发态，而探测光束通过光学延迟后入射到宝石晶体上产生白光，该束白光与泵浦光入射到样品上的同一位置，在不同泵浦发次下，通过调节探测光束相对泵浦光束的延迟时间，测试样品的吸收光谱随着延迟时间的变化，从而最终获得样品的激发态弛豫信息；基于泵浦探测技术的瞬态吸收光谱仪的优点在于即使样品不发光，也可以对其激发态动力学进行研究；局限性在于，每次仅能测试一个时间延迟量的瞬态吸收特性，需要多次不同延时的重复实验来拼接完整超快过程。显然，强激光辐照的光学元件激光损伤是一种难以每发完全重复的物理过程，因此，上述的常规泵浦-探测超快成像技术以及瞬态吸收光谱技术，均无法完整、准确地捕获这类强激光辐照光学元件损伤过程中难以重复事件发生的完整过程。
泵浦-探测超快成像技术仅能实现瞬态成像的强度分析，无法从光谱波长维度对吸收图像进行分析；基于泵浦探测技术的瞬态吸收光谱仪受限于门控增强型相机(ICCD)的低帧率(≤50帧/秒)及纳秒开门时间的工作特性，每次仅能测试一发次辐照下的纳秒门宽时间的瞬态吸收光谱信息，需要多次调节时间延迟从而拼接获得全过程吸收光谱，难以实现单发次全过程的瞬态吸收光谱信息的获取。因此，本专利发明了一种强激光辐照光学元件的瞬态吸收测量方法及装置，其基于飞秒脉冲时间拉伸，以弥补上述技术的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种强激光辐照光学元件的瞬态吸收测量方法，包括：
采用纳秒光脉冲作为泵浦光，采用飞秒光脉冲作为探测光；
在泵浦光泵浦待测样品时，探测光转变为空间光束耦合至待测样品并透射过待测样品，透射探测光携带了待测样品在泵浦前后对探测光的光谱吸收信息；
透射探测光经过时域拉伸后将光谱强度信息映射到其时域强度波形上，采用光电探测器将光脉冲信号转换为电脉冲信号，电脉冲信号采集和处理后，获得待测样品在泵浦光泵浦时的瞬态吸收光谱。
本技术方案进一步设置为，在泵浦光泵浦待测样品之前，还包括：
泵浦光经过选单机械快门，以单发次输出，采用单脉冲泵浦光泵浦待测样品。
本技术方案进一步设置为，所述泵浦光与所述探测光之间存在相对时间延迟，该相对时间延迟通过同步机进行调节控制。
本技术方案进一步设置为，透射探测光输入色散展宽光纤进行色散傅里叶变换时域拉伸，将光谱强度信息映射到其时域强度波形上，其中，脉冲时域光场强度与频域光场强度对应关系为：
式中，|A(z,t)|2为脉冲时域光场强度，为脉冲频域光场强度，T为脉冲传输时间，z为脉冲沿色散展宽光纤传输距离，β2为色散展宽光纤的群速度色散系数，α为色散展宽光纤的衰减系数。
本技术方案进一步设置为，电脉冲信号经过坐标变换处理后，将脉冲时域波形转换为光谱形状，其中，转换关系为：
式中，ΔT为采样点的时间间隔，Δλ为采样点对应的波长间隔，D和L分别为色散展宽光纤的色散参量系数和光纤长度，λ0为探测光的光谱中心波长，c为真空中光速。
本技术方案进一步设置为，获得待测样品在泵浦光泵浦时的瞬态吸收光谱之后，还包括：
调节泵浦光与探测光之间的相对时间延迟Δt，对比分析待测样品在泵浦光泵浦前后的光谱形态变化，从而获得待测样品的瞬态吸收光谱随时间的分布情况。
第二方面，本发明提供一种强激光辐照光学元件的瞬态吸收测量装置，包括：
飞秒光纤激光器，用于产生飞秒光脉冲作为探测光；
纳秒激光器，用于产生纳秒光脉冲作为泵浦光；
待测样品，其位于探测光以及泵浦光的传输光路上；
激光辐照及信号光耦合组件，用于调节探测光与泵浦光，使得两光束在待测样品内交叉重合；
时间拉伸元件，用于对透射探测光进行时域拉伸；
光电探测器，用于探测经时域拉伸后的透射探测光；
以及数据处理器，用于对光电探测器输出的电脉冲信号进行坐标变换，获得待测样品在泵浦光泵浦时的瞬态吸收光谱。
本技术方案进一步设置为，还包括同步机，所述同步机分别为飞秒光纤激光器、纳秒激光器连接，飞秒光纤激光器输出与飞秒光脉冲同步的电脉冲时间基准信号，同步机接收该电脉冲时间基准信号并转换为相应时间延迟的同步触发电脉冲信号，该同步触发电脉冲信号输入纳秒激光器。
本技术方案进一步设置为，所述激光辐照及信号光耦合组件包括聚焦透镜、第一准直透镜、第二准直透镜以及废光桶，所述聚焦透镜以及所述废光桶位于泵浦光的传输光路上，泵浦光经聚焦透镜后泵浦待测样品，透射过待测样品的泵浦光传输至废光桶，所述第一准直透镜以及所述第二准直透镜位于探测光的传输光路上，探测光依次传输至第一准直透镜、待测样品、第二准直透镜以及时间拉伸元件。
本技术方案进一步设置为，还包括光纤隔离器，所述光纤隔离器位于飞秒光纤激光器、激光辐照及信号光耦合组件之间，用于隔离激光辐照及信号光耦合组件和时间拉伸元件的反射光。
本发明的有益效果是：
1、通过对比分析待测样品在泵浦光泵浦前后的光谱形态变化，能够完整、准确地实现待测样品在亚阈值激光预处理或激光损伤过程中超快瞬态吸收光谱的测量。
2、通过调节泵浦光与探测光之间的相对时间延迟，获得待测样品的瞬态吸收光谱随时间的分布情况。
3、利用时域拉伸技术突破传统制约因素，使得光电探测器能够直接对其进行探测并送入数据处理器实时显示，从而保证了超快的测量速度，在不牺牲获得的图像质量的前提下，既增加装置的帧速度又降低采样率，提高光谱分辨率。
4、结构简单紧凑，稳定性好。
附图说明
图1是本发明中强激光辐照光学元件的瞬态吸收测量方法的示意图；
图2是泵浦光泵浦前、泵浦后探测光、泵浦后探测光的时域拉伸后的光谱波形示意图；
图3是本发明中强激光辐照光学元件的瞬态吸收测量装置的示意图；
图4是激光辐照及信号光耦合组件的示意图；
图5是强激光辐照光学元件的瞬态吸收测试结果图；
图6表示图5对应的A、B两点的瞬态吸收光谱曲线。
附图中：1-飞秒光纤激光器、2-光纤隔离器、3-激光辐照及信号光耦合组件、4-时间拉伸元件、5-光电探测器、6-数据处理器、7-同步机、8-纳秒激光器、9-选单机械快门、10-待测样品；
301-聚焦透镜、302-取样楔形板、303-激光能量计、304-第一准直透镜、305-第二准直透镜、306-废光桶。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
实施例一：
如图1所示，一种强激光辐照光学元件的瞬态吸收测量方法，包括以下步骤：
S100、采用纳秒光脉冲作为泵浦光，采用飞秒光脉冲作为探测光。
S200、飞秒激光器分束产生与飞秒光脉冲同步的电脉冲时间基准信号并输入同步机，用同步机设置纳秒激光器的Q开关和泵浦闪光灯的时间延迟，以调节泵浦光与探测光之间的相对时间延迟。
S300、泵浦光和探针光经过激光辐照及信号光耦合组件分别耦合至待测样品并在辐照区交叉重叠，泵浦光经选单机械快门，以单发次脉冲泵浦待测样品，探测光透射过待测样品后携带了样品在泵浦前后对探测光的光谱吸收信息。
S400、透射探测光经过时域拉伸后将光谱强度信息映射到其时域强度波形上，采用光电探测器将光脉冲信号转换为电脉冲信号，电脉冲信号采集和处理后，获得待测样品在泵浦光泵浦时的瞬态吸收光谱。
值得说明的是，透射探测光输入色散展宽光纤进行色散傅里叶变换时域拉伸，将光谱强度信息映射到其时域强度波形上，其中，脉冲时域光场强度与频域光场强度对应关系为：
式中，|A(z,t)|2为脉冲时域光场强度，为脉冲频域光场强度，T为脉冲传输时间，z为脉冲沿色散展宽光纤传输距离，β2为色散展宽光纤的群速度色散系数，α为色散展宽光纤的衰减系数。
值得说明的是，经过足够长的色散展宽光纤后，时域拉伸后的脉冲时域包络形状与拉伸前的光谱形状具有一致性，即透射探测光的光谱信息映射到拉伸后的时域波形上。
值得说明的是，电脉冲信号经过坐标变换处理后，将脉冲时域波形转换为光谱形状，其中，转换关系为：
式中，ΔT为采样点的时间间隔，Δλ为采样点对应的波长间隔，D和L分别为色散展宽光纤的色散参量系数和光纤长度，λ0为探测光的光谱中心波长，c为真空中光速。
此外，获得待测样品在泵浦光泵浦时的瞬态吸收光谱之后，还包括：
调节泵浦光与探测光之间的相对时间延迟Δt，对比分析待测样品在泵浦光泵浦前后的光谱形态变化，从而获得待测样品的瞬态吸收光谱随时间的分布情况。
如图2所示，设定泵浦光与探测光之间的相对时间延迟为Δt时，待测样品的瞬态吸收系数为(I0-I1)/I0*100％。泵浦光与探测光之间的相对时间延迟为Δt+Tc时，待测样品的瞬态吸收系数为(I0-I2)/I0*100％。其中，Tc为飞秒光脉冲序列的时间周期，I0、I1、I2分别为泵浦光泵浦前、泵浦后探测光、泵浦后探测光的时域拉伸后的光谱波形图，以此类推，通过调节泵浦光与探测光之间的相对时间延迟Δt，从而获得待测样品的瞬态吸收光谱随时间的分布情况。
实施例二：
如图3、图4所示，一种强激光辐照光学元件的瞬态吸收测量装置，包括：
飞秒光纤激光器1，用于产生飞秒光脉冲作为探测光；
纳秒激光器8，用于产生纳秒光脉冲作为泵浦光；
待测样品10，其位于探测光以及泵浦光的传输光路上；
激光辐照及信号光耦合组件3，用于调节探测光与泵浦光，使得两光束在待测样品10内交叉重合；
时间拉伸元件4，用于对透射探测光进行时域拉伸；
光电探测器5，用于探测经时域拉伸后的透射探测光；
以及数据处理器6，用于对光电探测器5输出的电脉冲信号进行坐标变换，获得待测样品10在泵浦光泵浦时的瞬态吸收光谱。
本实施例中，所述飞秒光纤激光器1为宽光谱掺镱锁模光纤激光器，其输出脉冲的时域形状为高斯形，对应的光谱形状近似为高斯型，输出脉冲的光谱中心波长λ0为1053nm，输出脉冲的光谱半高全宽宽度范围为10nm至30nm，输出脉冲的重复频率范围20MHz至100MHz。所述纳秒激光器8用作对待测样品10进行亚阈值激光预处理或激光损伤过程中泵浦光源，输出脉冲重复频率10Hz，可同时或单独输出波长为355nm、532nm和1064nm的大能量纳秒脉冲激光，三种波长的脉冲能量分别为240mJ、480mJ和800mJ，脉冲宽度为9ns。
此外，还包括光纤隔离器2，所述光纤隔离器2位于飞秒光纤激光器1、激光辐照及信号光耦合组件3之间，用于隔离激光辐照及信号光耦合组件3和时间拉伸元件4的反射光，防止反射光波返回到飞秒光纤激光器1中干扰甚至破坏锁模运转。本实施例中，所述光纤隔离器2为偏振无关光纤隔离器。
此外，还包括同步机7，所述同步机7分别为飞秒光纤激光器1、纳秒激光器8连接，飞秒光纤激光器1输出与飞秒光脉冲同步的电脉冲时间基准信号，同步机7接收该电脉冲时间基准信号并转换为相应时间延迟的同步触发电脉冲信号，该同步触发电脉冲信号输入纳秒激光器8，同步机7的最小同步时间调节量为5ps。纳秒光脉冲经选单机械快门9选择为单发次脉冲输出，用于泵浦待测样品10。本实施例中，选单机械快门9的开门时间设置为99ms。
值得说明的是，所述激光辐照及信号光耦合组件3包括聚焦透镜301、第一准直透镜304、第二准直透镜305以及废光桶306，所述聚焦透镜301以及所述废光桶306位于泵浦光的传输光路上。泵浦光经聚焦透镜301后辐照待测样品10，聚焦透镜301将泵浦光输出为空间光束，并将其耦合至待测样品10的测试区，调节泵浦光与探测光辐照区交叉重叠，透射过待测样品10的泵浦光传输至废光桶306。在聚焦透镜301以及待测样品10之间设有取样楔形板302，泵浦光经取样楔形板302反射形成取样光束，取样光束输入激光能量计303。
所述第一准直透镜304以及所述第二准直透镜305位于探测光的传输光路上，探测光依次传输至第一准直透镜304、待测样品10、第二准直透镜305以及时间拉伸元件4。在泵浦光泵浦待测样品10时，探测光先经过第一准直透镜304再透过待测样品10的辐照区，并携带了待测样品10在泵浦前后对探测光的光谱吸收信息，再耦合进入第二准直透镜305，然后输入时间拉伸元件4。
本实施例中，泵浦光的直径为6mm，聚焦透镜301的焦距为1500mm，待测样品10的长宽为50mm*50mm，厚度为10mm。
所述时间拉伸元件4用于将探测光进行时间频率转换，从而将探测光的光谱信息映射到拉伸后的时域波形上。本实施例中，所述时间拉伸部件(4)为色散展宽光纤，长度L为15km，色散参量系数D为23ps/nm/km。
所述光电探测器5的带宽为12GHz，工作波长范围是500nm至1630nm。
所述数据处理器6用于将光电探测器5探测的拉伸后的时间波形进行数据采样和分析处理，其包含示波器和计算机。数据采集是通过示波器实现的，示波器工作在单次触发模式，可实时采集记录毫秒量级尺度的瞬态泵浦吸收过程，激光辐照及信号光耦合组件3还包括泵浦光光电探测器，示波器的触发源为泵浦光光电探测器探测到的泵浦光脉冲时域波形上升沿，数据分析处理是通过计算机实现的。其中，示波器带宽为16GHz，采样率为40GS/s。计算机为双核处理器，主频3.0GHz，内存为16G。
图5是强激光辐照光学元件的瞬态吸收测试结果图，测试发次编号为h1-position9-shot4，其中，(a)表示示波器直接采集的飞秒脉冲时间拉伸后的脉冲序列。(b)表示电脉冲信号经过坐标变换处理后将脉冲时域波形转换为光谱形状的光谱图，其横坐标表示光强度，其纵坐标表示波长，单位为nm。(c)表示瞬态吸收随时间的演化，横坐标表示时间，单位为μs，其纵坐标表示吸收强度。(d)表示对(c)中的局部进行放大，横坐标表示时间，单位为μs，其纵坐标表示吸收强度。图6表示图5(d)对应的A、B两点的瞬态吸收光谱曲线，其中，(a)表示A点的透射前后的时间拉伸光谱图，其横坐标表示波长，单位为nm，纵坐标表示强度。(b)表示A点的瞬态吸收曲线，其横坐标表示波长，单位为nm，纵坐标表示强度。(c)表示B点的透射前后的时间拉伸光谱图，其横坐标表示波长，单位为nm，纵坐标表示损耗，单位为dB。(b)表示B点的瞬态吸收曲线，其横坐标表示波长，单位为nm，纵坐标表示损耗，单位为dB。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。
Claims (10)
1.一种强激光辐照光学元件的瞬态吸收测量方法，其特征在于，包括：
采用纳秒光脉冲作为泵浦光，采用飞秒光脉冲作为探测光；
在泵浦光泵浦待测样品时，探测光转变为空间光束耦合至待测样品并透射过待测样品，透射探测光携带了待测样品在泵浦前后对探测光的光谱吸收信息；
透射探测光经过时域拉伸后将光谱强度信息映射到其时域强度波形上，采用光电探测器将光脉冲信号转换为电脉冲信号，电脉冲信号采集和处理后，获得待测样品在泵浦光泵浦时的瞬态吸收光谱。
2.根据权利要求1所述的一种强激光辐照光学元件的瞬态吸收测量方法，其特征在于，在泵浦光泵浦待测样品之前，还包括：
泵浦光经过选单机械快门，以单发次输出，采用单脉冲泵浦光泵浦待测样品。
3.根据权利要求1或2所述的一种强激光辐照光学元件的瞬态吸收测量方法，其特征在于，所述泵浦光与所述探测光之间存在相对时间延迟，该相对时间延迟通过同步机进行调节控制。
4.根据权利要求3所述的一种强激光辐照光学元件的瞬态吸收测量方法，其特征在于，透射探测光输入色散展宽光纤进行色散傅里叶变换时域拉伸，将光谱强度信息映射到其时域强度波形上，其中，脉冲时域光场强度与频域光场强度对应关系为：
式中，|A(z,t)|2为脉冲时域光场强度，为脉冲频域光场强度，T为脉冲传输时间，z为脉冲沿色散展宽光纤传输距离，β2为色散展宽光纤的群速度色散系数，α为色散展宽光纤的衰减系数。
5.根据权利要求4所述的一种强激光辐照光学元件的瞬态吸收测量方法，其特征在于，电脉冲信号经过坐标变换处理后，将脉冲时域波形转换为光谱形状，其中，转换关系为：
式中，ΔT为采样点的时间间隔，Δλ为采样点对应的波长间隔，D和L分别为色散展宽光纤的色散参量系数和光纤长度，λ0为探测光的光谱中心波长，c为真空中光速。
6.根据权利要求3所述的一种强激光辐照光学元件的瞬态吸收测量方法，其特征在于，获得待测样品在泵浦光泵浦时的瞬态吸收光谱之后，还包括：
调节泵浦光与探测光之间的相对时间延迟，对比分析待测样品在泵浦光泵浦前后的光谱形态变化，从而获得待测样品的瞬态吸收光谱随时间的分布情况。
7.一种采用权利要求1-6任一所述强激光辐照光学元件的瞬态吸收测量方法的装置，包括：
飞秒光纤激光器，用于产生飞秒光脉冲作为探测光；
纳秒激光器，用于产生纳秒光脉冲作为泵浦光；
待测样品，其位于探测光以及泵浦光的传输光路上；
激光辐照及信号光耦合组件，用于调节探测光与泵浦光，使得两光束在待测样品内交叉重合；
时间拉伸元件，用于对透射探测光进行时域拉伸；
光电探测器，用于探测经时域拉伸后的透射探测光；
以及数据处理器，用于对光电探测器输出的电脉冲信号进行坐标变换，获得待测样品在泵浦光泵浦时的瞬态吸收光谱。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括同步机，所述同步机分别为飞秒光纤激光器、纳秒激光器连接，飞秒光纤激光器输出与飞秒光脉冲同步的电脉冲时间基准信号，同步机接收该电脉冲时间基准信号并转换为相应时间延迟的同步触发电脉冲信号，该同步触发电脉冲信号输入纳秒激光器。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述激光辐照及信号光耦合组件包括聚焦透镜、第一准直透镜、第二准直透镜以及废光桶，所述聚焦透镜以及所述废光桶位于泵浦光的传输光路上，泵浦光经聚焦透镜后泵浦待测样品，透射过待测样品的泵浦光传输至废光桶，所述第一准直透镜以及所述第二准直透镜位于探测光的传输光路上，探测光依次传输至第一准直透镜、待测样品、第二准直透镜以及时间拉伸元件。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括光纤隔离器，所述光纤隔离器位于飞秒光纤激光器、激光辐照及信号光耦合组件之间，用于隔离激光辐照及信号光耦合组件和时间拉伸元件的反射光。
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