[发明专利]一种飞秒激光加载下透明材料动态测量装置及方法

说明书

本发明属于光学测量技术领域，并具体公开了一种飞秒激光加载下透明材料动态测量装置及方法，包括飞秒激光器、非偏振分束器、飞秒脉冲泵浦模块和皮秒脉冲探测模块，飞秒激光器和非偏振分束器依次设置，飞秒激光器发出的激光经非偏振分束器分为两路飞秒脉冲激光；其中一路进入泵浦光路，由光束倍频单元倍频后，经机械快门得到单发飞秒脉冲，该单发飞秒脉冲入射到聚焦透镜，并聚焦于待测样品内部；另一路飞秒脉冲激光进入探测光路，由啁啾展宽单元展宽为线性啁啾皮秒脉冲，经成像透镜组引入待测样品，对激发区域放大后进入成像光谱仪，CCD相机采集成像光谱仪中图像。本发明可在单发脉冲内获取飞秒激光加载下透明材料内结构改性的时空演变过程。

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，更具体地，涉及一种飞秒激光加载下透明材料动态测量装置及方法。

背景技术

飞秒激光脉冲聚焦在透明材料内部时，由于极高的能量密度和超短的作用时间以及受限的作用空间，会在皮秒时间范围甚至飞秒时间范围内改变焦点区域材料结构与物理性质。由于其作用时间短，激光产生的热量还未来得及传输到材料晶格，加载就已经结束，因此不会影响焦点区域以外的材料，得益于此，飞秒激光广泛应用于微加工行业，特别是对于透明材料，在材料内部的精准定点微加工，使其广泛用于光波导、光存储以及光栅加工等领域。然而，由于飞秒激光的超短脉宽，其在材料内部激发的材料变化过程往往在皮秒尺度，现有探测相机的响应时间根本无法满足如此超快过程的探测。因此，为了进一步掌握飞秒激光对透明材料的作用机理及加工过程，对上述超快响应过程进行同步动态探测是十分必要的。

材料受激光激发后的结构及性能变化，最为典型的表征方法是离线显微测量，即通过光学显微镜、扫描电子显微镜等一些传统设备，对激光焦点区域进行静态观测，这种方法只能观测材料受到激发后最终的结构形态，无法探测到材料受到激发后结构变化的动态过程。因此，为了获取飞秒激光加载下透明材料超快动态响应过程，一系列探测方法被提了出来，但目前的探测主要基于两种方法。一种是基于光学阴影成像探测方法对脉冲激发区域成像，另一种是基于干涉测量方法。对于第一种探测方法，主要是通过CCD相机对某一延迟时间下飞秒脉冲激发区域进行成像，这种方法只能获取材料受激发后，其变化过程中的某一时刻的图像，如果要获取材料变化的整个过程，则需要不断调节光路延迟器件，移动样品并进行重复测量，以获取材料动态响应的整个变化过程。第二种干涉测量方法，也是基于第一种成像测量方法，通过增加参考光路以获取干涉条纹，后期求解材料受冲击后的物理参数信息。但是以上两种方法均是基于多发脉冲测量，对实验系统的稳定性要求高，极易引入系统误差，并且测量过程繁琐，测量周期长。显然，以上方法无法满足飞秒激光加工过程中对加工区域的实时原位测量。

因此，本领域亟待提出一种能够实时测量飞秒激光加载下透明材料内部结构动态响应的装置和方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种飞秒激光加载下透明材料动态测量装置及方法，其目的在于，结合飞秒激光聚焦在透明材料内部时引起的结构变化特点，通过对泵浦光路和探测光路的设计，利用啁啾展宽技术将飞秒脉冲展宽为皮秒脉冲，随后通过皮秒脉冲对样品透射光强开展动态采集，结合线性啁啾脉冲频时映射关系，实现单脉冲飞秒激光加载下透明材料内部形态结构改变的动态表征。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种飞秒激光加载下透明材料动态测量装置，包括飞秒激光器、非偏振分束器、飞秒脉冲泵浦模块和皮秒脉冲探测模块，其中：

所述飞秒激光器和非偏振分束器依次设置，所述飞秒激光器发出的激光经非偏振分束器分为两路飞秒脉冲激光，该两路飞秒脉冲激光分别入射到飞秒脉冲泵浦模块和皮秒脉冲探测模块中；

所述飞秒脉冲泵浦模块包括依次设置的光束倍频单元、机械快门、反射镜和聚焦透镜，其共同组成泵浦光路；一路飞秒脉冲激光由光束倍频单元倍频后，经机械快门控制得到单发飞秒脉冲，该单发飞秒脉冲由所述反射镜改变方向入射到聚焦透镜，并由聚焦透镜聚焦于待测样品内部，对其进行激发；