[發明專利]實時觀察的單束雙模參數可調Z掃描裝置和測量方法

無效

• 申請號: 200910054823.1
• 申請日: 2009-07-15
• 公開（公告）號: CN101608999A
• 公開（公告）日: 2009-12-23
• 發明（設計）人: 劉靜;魏勁松
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17;G01N21/41;G01N21/01
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司
• 代理人: 張澤純

1.一種實時觀察的單束雙模參數可調Z掃描裝置，特征在于其構成包括激光器(1)，沿該激光器(1)輸出激光前進的主光路方向依次是第一可調衰減片(2)、聲光調制器(3)、第一孔徑光闌(5)、第一分光棱鏡(8)、第二分光棱鏡(9)、第一聚焦透鏡(11)、待測樣品(12)、第二聚焦透鏡(14)、第三分光棱鏡(15)、第二小孔光闌(18)和第三探測器(19)，該第三探測器(19)的輸出端與計算機(20)的輸入端相連；所述的第一聚焦透鏡(11)和第二聚焦透鏡(14)共焦，所述的待測樣品(12)位于樣品控制臺(13)上且該待測樣品(12)表面垂直于所述的主光路，置于所述的第一聚焦透鏡(11)和第二聚焦透鏡(14)共焦點附近；

所述的聲光調制器(3)與信號發生器(4)相連，由第一可調衰減片(2)、聲光調制器(3)和信號發生器(4)組成參數調制部分；

在所述的第一分光棱鏡(8)的一側垂直于所述的主光路方向設置冷光源(6)，該冷光源(6)發出的光經第一分光棱鏡(8)反射后沿所述的主光路經第二分光棱鏡(9)進入所述的第一聚焦透鏡(11)，在所述的第一分光棱鏡(8)的另一側垂直于所述的主光路方向設置第一探測器(7)，該第一探測器(7)的輸出端與所述的計算機(20)的輸入端相連；

在所述的第二分光棱鏡(9)的一側垂直于所述的主光路方向設置濾光片(21)和CCD(10)；

在所述的第三分光棱鏡(15)的一側垂直于所述的主光路方向依次設置第二可調衰減片(16)、凸透鏡(22)和第二探測器(17)，該第二探測器(17)的輸出端與所述的計算機(20)的輸入端相連；

所述的計算機(20)的輸出端與所述的樣品控制臺(13)的控制端相連。

2.根據權利要求1所述的實時觀察的單束雙模參數可調Z掃描裝置，其特征在于所述的第一可調衰減片(2)的輸出激光功率對入射激光功率的比值0～1任意可調。

3.根據權利要求1所述的實時觀察的單束雙模參數可調Z掃描裝置，其特征在于所述的聲光調制器(3)對激光脈沖寬度從5ns到連續光連續可調。

4.利用權利要求1所述的實時觀察的單束雙模參數可調Z掃描裝置進行測量的方法，其特征在于包括下列步驟：?

①將待測樣品(12)放在樣品控制臺(13)上，調節樣品控制臺(13)的位置，使待測樣品(12)的表面和激光束垂直；調節所述的CCD(10)的位置，使待測樣品(12)在CCD(10)上清晰地成像，設置樣品控制臺(13)的參數：樣品控制臺(13)總運行步長數為7500步，運行速度為5步/秒；定義主光軸為Z軸，激光入射的方向為正方向，待測樣品(12)隨樣品控制臺(13)沿Z軸運動；定義待測樣品(12)的外表面(A)在焦點處的位置為Z軸坐標的零點，待測樣品(12)的外表面(A)在Z₁＝-10Z₀的位置為起始運動位置，待測樣品(12)的外表面(A)在Z₂＝10Z₀的位置為終了運動位置，Z₀為所述的聚焦透鏡(11)的焦深；

②調節第一衰減片(2)及信號發生器(4)，設置所述的聲光調制器(3)輸出的激光功率和激光脈沖寬度，通過計算機(20)驅動樣品控制臺(13)沿Z軸從Z₁＝-10Z₀位置向Z₂＝10Z₀位置運動，同時第二探測器(17)和第三探測器(19)分別收集透過所述的待測樣品(12)的激光能量，由數據采集器轉變為電壓信號通過軟件在計算機(20)上顯示，采集的數據電壓值作縱坐標，相應的Z軸的位置作橫坐標，通過軟件處理保存為.txt格式文檔，留作后續處理；

③計算機(20)對第二探測器(17)采集到的開孔數據作歸一化處理，將第二探測器(17)對應的曲線的所有縱坐標數值除以Z＝-10Z₀處的縱坐標數值，得到待測樣品(12)的開孔的相對透過率，曲線的大致形狀是在焦點Z＝0出呈現一個峰或者谷，而遠離焦點處歸一化透過率為1，取Z＝0處的縱坐標值T(0)，代入以下公式計算得到待測樣品(12)的非線性吸收系數β：

其中：I₀是焦點處的激光強度，?P是第二探測器(17)測得的激光功率，w₀是焦點處的激光斑點大小，?N.A.是第一聚焦透鏡(11)的數值孔徑；L_eff是待測樣品(12)的有效厚度，L是待測樣品(12)的實際厚度，L_eff＝[1-exp(-α₀L)]/α₀；α₀是待測樣品(12)的線性吸收系數；

④對第三探測器(19)采集到的閉孔數據作歸一化處理，將第三探測器?(19)對應的曲線的所有縱坐標數值除以Z＝-10Z₀處的縱坐標數值，再將其除以步驟③中的歸一化結果，得到一支類似于sin形狀或cos形狀的曲線，取曲線的峰和谷的差值ΔT_P-v并代入以下公式，求出待測樣品(12)的非線性折射系數γ：

ΔT_p-v＝0.406(1-S)^0.25|kγI₀L|

其中：S是第二小孔光闌(18)的參數，?r_a是第二小孔光闌(18)的半徑，w_a是第二小孔光闌(18)處透射光斑的半徑；k是作用激光的波數，?λ是激光波長；

⑤在待測樣品(12)移動的同時，觀察CCD(10)中待測樣品表面形貌的變化，以了解與待測樣品(12)的非線性吸收系數β和非線性折射系數γ相關的物理信息，注意每次變換實驗條件時均要調節待測樣品(12)的位置，選擇不同的激光作用點；

⑥調節第一衰減片(2)及信號發生器(4)，改變激光功率和激光脈沖寬度，重復以上第②～⑤步，以獲得不同激光功率和激光脈沖寬度下待測樣品(12)的非線性吸收系數β和非線性折射系數γ。?