[发明专利]一种超快椭偏仪装置和测量方法

说明书

技术领域

本发明属于超快测量领域，更具体地，涉及一种超快椭偏仪装置和测量方法。

背景技术

研究材料在高压、高应变率等极端条件下的动力学响应特性是材料物理领域的前沿课题，冲击波加载则是在材料内部产生这种极端条件的重要技术手段。由于冲击波的产生和消失过程发生在几十到几百个皮秒的极短时间内，冲击动力学测量对测试技术的时间分辨率提出了非常高的要求。当冲击波在材料中传播时，对冲击波和材料响应特性的研究通常需要测量材料的动力学参数，如冲击波速度、波后粒子速度等。此外，冲击波在材料中的渡越过程中引起的材料密度、内部结构变化最终将导致材料总体和局部的光学特性发生变化。为了准确描述冲击波作用下材料响应特性，实现包含冲击作用下材料光学特性变化的动力学参数测量具有十分重要的意义。

目前，受测量手段限制，冲击波响应动力学测量与研究大多集中在样品自由面速度的测量上。在超快冲击作用下材料动力学研究中，目前最常用的测量方法是任意反射面的速度干涉仪(Velocity Interferometer System for Any Reflector,简称VISAR)和啁啾脉冲频域干涉仪(Chirped Pulse Spectral Interferometry,简称CPSI)。这些方法可以将时间分辨率提高到皮秒甚至飞秒量级，但是均只能测量反射面的位移，无法测量材料的光学特性，从而无法从材料内部结构和性能变化上对冲击动力学过程给出解释；而且这些测量方法都属于离散式的点测量，实验条件的重复性问题影响测量的实验数据的准确性，误差大。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种超快椭偏仪及测量方法，其中利用测量自由面速度的频域干涉技术与椭偏测量技术相结合，实现在单发脉冲测量中同时测量材料动力学特性和光学特性在泵浦冲击过程中的变化，从而从材料内部结构和性能变化上对冲击动力学过程给出解释；此外，本发明还对超快椭偏仪的关键组件，如啁啾脉冲发生单元、泵浦光路单元、探测光路单元和反射光路单元的结构及其布置方式进行了研究和设计，相应的可确保单发脉冲同时测量材料动力学特性与光学特性的实现，为冲击波加载方面的研究提供重要依据。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面提出了一种超快椭偏仪装置，其特征在于，包括啁啾脉冲发生单元、泵浦光路单元、探测光路单元和反射光路单元，其中：

所述啁啾脉冲发生单元包括飞秒脉冲激光器、啁啾脉冲放大器和非偏振分光镜一，其中所述飞秒脉冲激光器和啁啾脉冲放大器共同组成啁啾脉冲光源以产生皮秒量级啁啾脉冲，而所述的非偏振分光镜一将上述啁啾脉冲分为泵浦光和探测光；

所述泵浦光路单元包括平面反射镜一、延迟器、平面反射镜二和聚焦透镜一，所述泵浦光依次经过所述泵浦光路单元中的上述各部件，然后垂直于待测样品的下表面对所述待测样品进行泵浦冲击；

所述探测光路单元包括光阑、平面反射镜三、起偏器、半波片一和聚焦透镜二，所述探测光依次经过所述探测光路单元中的上述各部件，然后以一定角度斜入射至所述待测样品的上表面；

所述反射光路单元包括准直透镜、平面反射镜四、偏振分光单元和光谱仪，所述探测光经所述待测样品反射后的反射光依次经过所述反射光路单元中的上述各部件，以产生频域干涉条纹，以此方式，实现单发脉冲对材料冲击动力学特性和光学特性的测量。

作为进一步优选的，所述延迟器用于控制所述泵浦光与探测光的光程差，保证所述泵浦光与探测光同时到达所述待测样品，其由电控位移台和两面呈垂直布置的平面反射镜组成。

作为进一步优选的，所述偏振分光单元包括偏振分光镜和非偏振分光镜二，其中所述偏振分光镜将进入到其内的所述反射光分为P偏振光和S偏振光；所述P偏振光经过平面反射镜五反射后进入所述非偏振分光镜二中；所述S偏振光依次经过平面反射镜六和半波片二后进入所述非偏振分光镜二中；所述P偏振光和S偏振光经所述非偏振分光镜二后以微小夹角进入所述光谱仪的狭缝中。

作为进一步优选的，所述泵浦光的能量为所述啁啾脉冲总能量的70％，所述探测光的能量为所述啁啾脉冲总能量的30％。

按照本发明的另一方面，提供了一种可同时测量材料冲击动力学特性和光学特性的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)将待测样品置于样品台上，所述啁啾脉冲发生单元中的所述飞秒脉冲激光器发出飞秒脉冲激光，该飞秒脉冲激光经所述啁啾脉冲放大器(102)后得到展宽放大的皮秒量级的啁啾脉冲；