[发明专利]一种介质膜的飞秒激光损伤无损测试方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于损伤无损测试方法及装置，特别是介质膜在飞秒激光辐照下缺陷态的测试方法及装置。

背景技术

随着科技的不断进步，飞秒激光逐渐凸显出越来越多的优势，尤其是高功率飞秒激光，在医疗、信息存储、超精细加工等领域得到广泛应用，发展前景十分广阔。薄膜元件作为飞秒激光系统中的重要组成部分，在大功率高能量激光系统中，其各项特性一直与系统正常有效运行密切相关。随着飞秒激光脉宽逐渐缩短且峰值功率不断增强，为确保系统稳定运行、助力飞秒激光技术发展，应用广泛的薄膜元件的各项特性，尤其是损伤阈值，也亟需提升。

介质膜是大部分薄膜元件的核心组成部分，其损伤特性一直受到广泛关注，对于其损伤阈值的测量也发展出诸多有效方法。飞秒激光损伤反应过程一般极快，不易测量。由于飞秒激光导致的介质膜损伤是一种本征损伤，与介质膜材料的一系列本征特性密切相关，因此对介质膜内部的损伤探测过程十分重要。以往的损伤探测主要集中在显微层面，诸如损伤的阈值、形貌等，而对介质膜内部的过程，尤其是缺陷态的测试关注不多。这主要是由于介质膜各能带间的跃迁过程一般在皮秒至飞秒量级，测量过程对时域尺度要求较高。因此，能够在原子层面观察到物质内部的超快运动过程的飞秒激光，具有极高的测量精度，是探测介质膜损伤过程的有效工具。

发明内容

本发明要解决的技术问题克服上述现有技术的不足，是提供一种介质膜的飞秒激光损伤无损测试方法及装置，能够实现介质膜反射率变化的无损实时连续检测，进一步对介质膜缺陷态进行研究，有助于从对介质膜损伤的本征特性及演变机理进行有效研究。

本发明的技术方案为：

一种介质膜的飞秒激光损伤无损测试装置，其特点在于，包括：第一分束片、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第一可调型阶梯滤波片、第四反射镜、第五反射镜、电控平移台、第六反射镜、第七反射镜、第二可调型阶梯滤波片、第二分束片、第八反射镜、第一凸透镜、光束稳定系统、抛物面镜、供样品放置的样品架、第二凸透镜、多通道锁相放大器、挡光板和计算机；所述的第六反射镜和第七反射镜互成直角放置在所述的电控平移台上；

入射激光经所述的第一分束片分成透射光束和反射光束，所述的透射光束依次经所述的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜反射后，入射到所述的第一可调型阶梯滤波片，经该第一可调型阶梯滤波片透射后，依次经所述的第四反射镜和抛物面镜，作为探测光被聚焦至样品，构成泵浦探测光路中探测光部分；所述的反射光束依次经所述的第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜反射后，入射到所述的第二可调型阶梯滤波片，经该第二可调型阶梯滤波片透射后，入射到所述的第二分束片，经该第二分束片分束为第二透射光束和第二反射光束，所述的第二透射光束经所述的抛物面镜聚焦，作为泵浦光被聚焦至样品，构成泵浦探测中泵浦光部分；所述的第二反射光依次经所述的第六反射镜和第一凸透镜后，聚焦入射至光束稳定系统；

所述的探测光被样品反射后，携带样品信息经第二凸透镜聚焦至多通道锁相放大器，并由多通道锁相放大器转换为电信号传至计算机，通过计算机编程联动延时系统和稳定系统，对介质膜反射率变化进行实时探测；计算机连接并控制着电控平移台和光束稳定系统。

利用所述的介质膜的飞秒激光损伤无损测试装置进行飞秒激光损伤无损测试的方法，包括如下步骤：

步骤①通过计算机选定携带样品信息光束的探测波长范围，并通过多通道锁相放大器等间隔选取多个波长，选取的波长数量与通道数量相同；

步骤②确定扫描次数及各次扫描时间间隔，利用多通道锁相放大器对反射率变化进行扫描，每次扫描得到一个包含所有波长的数据，全部扫描完成后得到一个包含选定波长范围内样品反射率随泵浦光与探测光延时等间隔变化的数据包；

步骤③通过计算机计算归一化的反射率变化，以波长、相对延时为自变量X、Y，以归一化的反射率变化为因变量Z，做出相应的三维图像，以不同颜色表示反射率变化为因变量Z的大小，即介质膜在宽频带脉冲内，归一化反射率随入射激光波长、探测光相对泵浦光延时变化图像；

步骤④选取图像中颜色变化突出的区域，并在该区域内选择典型的几个波长，分别固定波长，以探测光相对于泵浦光延时为横坐标、归一化反射率变化为纵坐标，得到该介质膜反射率在这几个波长的时间分辨特性曲线；

步骤⑤对时间分辨特性曲线进行指数函数拟合，对应的指数即为介质膜材料各能级寿命，比较各个波长对应的材料各能级寿命，得到介质材料缺陷态状态。

进一步，本发明还包括步骤⑥对三维图像的各波长对应曲线分别进行傅里叶变换，得到该介质的分子振动频谱。