[發明專利]一種超快橢偏儀裝置和測量方法

有效

• 申請號: 201510361849.6
• 申請日: 2015-06-26
• 公開（公告）號: CN105158165B
• 公開（公告）日: 2017-08-18
• 發明（設計）人: 劉世元;江浩;鐘志成;張傳維;陳修國;陳偉
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01N21/21
• 分類號: G01N21/21
• 代理公司: 武漢東喻專利代理事務所(普通合伙)42224
• 代理人: 李佑宏

1.一種超快橢偏儀裝置，其特征在于，包括啁啾脈沖發生單元、泵浦光路單元、探測光路單元和反射光路單元，其中：

所述啁啾脈沖發生單元包括飛秒脈沖激光器(101)、啁啾脈沖放大器(102)和非偏振分光鏡一(103)，其中所述飛秒脈沖激光器(101)和啁啾脈沖放大器(102)共同組成啁啾脈沖光源以產生皮秒量級啁啾脈沖，而所述的非偏振分光鏡一(103)將上述啁啾脈沖分為泵浦光和探測光；

所述泵浦光路單元包括平面反射鏡一(104)、延遲器(105)、平面反射鏡二(106)和聚焦透鏡一(107)，所述泵浦光依次經過所述泵浦光路單元中的上述各部件，然后垂直于待測樣品的下表面對所述待測樣品進行泵浦沖擊；

所述探測光路單元包括光闌(108)、平面反射鏡三(109)、起偏器(110)、半波片一(111)和聚焦透鏡二(112)，所述探測光依次經過所述探測光路單元中的上述各部件，然后以一定角度斜入射至所述待測樣品的上表面；

所述反射光路單元包括準直透鏡(114)、平面反射鏡四(115)、偏振分光單元和光譜儀(121)，所述探測光經所述待測樣品反射后的反射光依次經過所述反射光路單元中的上述各部件，以產生頻域干涉條紋，以此方式實現單發脈沖對材料沖擊動力學特性和光學特性的測量，所述偏振分光單元包括偏振分光鏡(116)和非偏振分光鏡二(120)，其中所述偏振分光鏡(116)將進入到其內的所述反射光分為P偏振光和S偏振光；所述P偏振光經過平面反射鏡五(117)反射后進入所述非偏振分光鏡二(120)中；所述S偏振光依次經過平面反射鏡六(118)和半波片二(119)后進入所述非偏振分光鏡二(120)中；所述P偏振光和S偏振光經所述非偏振分光鏡二(120)后以微小夾角進入所述光譜儀(121)的狹縫中，以產生頻域干涉條紋。

2.如權利要求1所述的一種超快橢偏儀裝置，其特征在于，所述延遲器(105)用于控制所述泵浦光與探測光的光程差，保證所述泵浦光與探測光同時到達所述待測樣品，其由電控位移臺和兩面呈垂直布置的平面反射鏡組成。

3.如權利要求2所述的一種超快橢偏儀裝置，其特征在于，所述泵浦光的能量為所述啁啾脈沖總能量的70％，所述探測光的能量為所述啁啾脈沖總能量的30％。

4.一種采用如權利要求1-3任一項所述的超快橢偏儀裝置同時測量材料沖擊動力學特性和光學特性的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：

(1)將待測樣品置于樣品臺上，所述啁啾脈沖發生單元中的所述飛秒脈沖激光器(101)發出飛秒脈沖激光，該飛秒脈沖激光經所述啁啾脈沖放大器(102)后得到展寬放大的皮秒量級的啁啾脈沖；

(2)所述啁啾脈沖經過所述非偏振分光鏡一(103)后分為兩束能量不同的光，高能量光作為泵浦光經由泵浦光路單元對樣品進行泵浦沖擊，低能量光作為探測光經由探測光路單元對樣品進行探測；所述探測光經所述待測樣品反射后的反射光經由反射光路單元后產生頻域干涉條紋，進而獲得頻域干涉圖；

(3)根據所述頻域干涉圖獲得偏振光的偏振狀態參數，將上述測量得到的偏振狀態參數與由所述待測樣品的樣品模型推導出的偏振狀態參數的理論表達式進行擬合，從而獲得所述待測樣品在沖擊過程中的沖擊動力學特性參數和光學特性參數，以此方式，實現材料沖擊動力學特性和光學特性的測量。

5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，所述偏振狀態參數的理論表達式包括P偏振光和S偏振光的相位差Δ及幅值比所述P偏振光和S偏振光的相位差Δ和幅值比的計算過程如下：

a)將所述待測樣品從上至下依次分為三層，第一層為未受沖擊層，第二層為受沖擊壓縮層，第三層為受沖擊的目標靶，所述探測光只在未受沖擊層和受沖擊壓縮層進行反射和折射，定義所述未受沖擊層和受沖擊壓縮層的厚度分別為d₁、d₂，折射率分別為n₁、n₂；

b)分別計算作為入射光的P偏振光和S偏振光經過第一層和第二層后的總傳輸矩陣M(d)：

M(d)=M1(d1)M2(d2)=m11m12m21m22;]]>

其中，M₁(d₁)和M₂(d₂)分別表示入射光經過第一層和第二層的傳輸矩陣，其由下式計算獲得：

Mk(dk)=cos(2πλ0nkdkcosθk)iqksin(2πλ0nkdkcosθk)iqksin(2πλ0nkdkcosθk)cos(2πλ0nkdkcosθk),k=1,2;]]>

其中：d_k是待測樣品第k層的厚度，n_k是待測樣品第k層的折射率，θ_k是入射光在待測樣品第k層的入射角，λ₀是入射光在真空中的波長，i為復數單位；對于入射光為S偏振光時，q_k＝n_kcosθ_k，對于入射光為P偏振光時，

c)分別計算P偏振光和S偏振光經過第一層和第二層后的總反射率：

r=(m11+m12q2)q1-(m21+m22q2)(m11+m12q2)q1+(m21+m22q2)=ρeiφ;]]>

通過上述表達式分別獲得P偏振光和S偏振光經過待測樣品反射后的相移φ_P、φ_S和反射率

d)根據步驟c)獲得的所述相移φ_P、φ_S和反射率分別計算獲得P偏振光和S偏振光的相位差Δ和幅值比

Δ＝φ_P-φ_S；