[发明专利]测量高压下多晶体的单晶弹性性质的系统及方法

说明书

本发明涉及一种测量高压下多晶体的单晶弹性性质的系统及方法，系统包括飞秒激光器和偏振分束晶体，飞秒激光器发出的脉冲光源经过偏振分束晶体后分为激发光和探测光；还包括声光调制器、倍频器、光学延迟模块和高压样品组装模块；所述激发光通过声光调制器和倍频器的调制后到达样品组装模块的样品腔内，能量被多晶样品表面的金属薄膜吸收，激发出超声波，超声波在多晶样品中传播；所述探测光被导入光学延迟模块，然后被导入到样品前的主光轴，与激发光一起聚焦于多晶样品内部；还包括光电探测器、锁相放大器、高速采集卡和计算机，通过实时跟踪测量经声波散射的探测光，获知样品中声速的分布，从而推导出其单晶弹性常数。本发明具有全光学测量、无损、高压强、高精度、实验耗时短等特点，是目前测量超高压下多晶样品单晶弹性性质的优选方案。

技术领域

本发明涉及高压物理和凝聚态物理领域，更具体地说，涉及一种测量高压下多晶体的单晶弹性性质的系统及方法。

背景技术

对高压下矿物的单晶弹性性质进行研究是获取地球内部结构、物质组成、各向异性等信息的有效方法。目前获得固体物质在高压下的声速各向异性及单晶弹性数据的方法主要有超声回波测量法、布里渊散射法、以及基于同步辐射光源的非弹性散射方法。上述方法无一例外均需要样品始终保持单晶状态。但是在超高压加载下，由于样品腔内不再具备静水压条件，或者样品发生结构相变，单晶样品会演化成多晶态。这极大地阻碍了对更高压力下的物质进行单晶弹性性质的研究，影响了相关学科的发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种具有全光学测量、无损、高压强、高精度、实验耗时短的测量高压下多晶体的单晶弹性性质的系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种测量高压下多晶体的单晶弹性性质的系统，包括飞秒激光器和偏振分束晶体，飞秒激光器发出的脉冲光源经过偏振分束晶体后分为两束：一束为用于激发超声波的激发光，另一束为用于测量超声波的探测光；

还包括声光调制器、倍频器、光学延迟模块和样品组装模块；所述样品组装模块包括金刚石压砧、金属垫圈、金属薄膜和红宝石，两个正对的金刚石压砧固定在压力槽内，金属垫圈放置于两个金刚石压砧之间，两个金刚石压砧之间的密闭实验腔用于放置多晶样品，所述密闭实验腔放置用作换能器的金属薄膜和用于测量压力的红宝石；

所述激发光通过声光调制器和倍频器的调制后到达样品组装模块的样品腔内，能量被多晶样品表面的金属薄膜吸收，激发出超声波，超声波在多晶样品中传播；所述探测光被导入光学延迟模块，然后被导入到样品前的主光轴，与激发光一起聚焦于多晶样品表面；

还包括光电探测器、锁相放大器、高速采集卡和计算机，光电探测器对多晶样品表面反射的探测光进行收集，利用锁相放大器来提取与激发光调制信息相关的反射信号，所得数据将由高速采集卡和计算机进行采集和存储。

上述方案中，所述光学延迟模块包括多个平面反射镜。

本发明还提供了一种利用所述的测量高压下多晶体的单晶弹性性质的系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、激发光透过多晶样品到达金属薄膜的表面并被金属薄膜的浅表部分吸收，吸收的光能在数皮秒内转化成热能，热应力的释放随即在金属薄膜中产生超声波，超声波中的部分能量将在多晶样品内进行传播；同时，可控延迟的探测光也被聚焦到多晶样品内部，并在传播中的超声场内发生非弹性散射，该散射光将与被其他静止界面所反射的探测光发生干涉，从而产生超高频率的振荡信号；

S2、通过对该振荡信号进行短时傅立叶变换，获取声波在该多晶样品中传播时的超高空间分辨声速信息；

S3、根据超高空间分辨声速信息推导出多晶样品的单晶弹性常数。

上述方案中，

在所述步骤S2中，超高频率的振荡信号的振荡频率f_B与局部纵波声速V_L成正比，关系如下：