[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

技術領域

本發明屬于超快測量領域，更具體地，涉及一種超快橢偏儀裝置和測量方法。

背景技術

研究材料在高壓、高應變率等極端條件下的動力學響應特性是材料物理領域的前沿課題，沖擊波加載則是在材料內部產生這種極端條件的重要技術手段。由于沖擊波的產生和消失過程發生在幾十到幾百個皮秒的極短時間內，沖擊動力學測量對測試技術的時間分辨率提出了非常高的要求。當沖擊波在材料中傳播時，對沖擊波和材料響應特性的研究通常需要測量材料的動力學參數，如沖擊波速度、波后粒子速度等。此外，沖擊波在材料中的渡越過程中引起的材料密度、內部結構變化最終將導致材料總體和局部的光學特性發生變化。為了準確描述沖擊波作用下材料響應特性，實現包含沖擊作用下材料光學特性變化的動力學參數測量具有十分重要的意義。

目前，受測量手段限制，沖擊波響應動力學測量與研究大多集中在樣品自由面速度的測量上。在超快沖擊作用下材料動力學研究中，目前最常用的測量方法是任意反射面的速度干涉儀(Velocity Interferometer System for Any Reflector,簡稱VISAR)和啁啾脈沖頻域干涉儀(Chirped Pulse Spectral Interferometry,簡稱CPSI)。這些方法可以將時間分辨率提高到皮秒甚至飛秒量級，但是均只能測量反射面的位移，無法測量材料的光學特性，從而無法從材料內部結構和性能變化上對沖擊動力學過程給出解釋；而且這些測量方法都屬于離散式的點測量，實驗條件的重復性問題影響測量的實驗數據的準確性，誤差大。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種超快橢偏儀及測量方法，其中利用測量自由面速度的頻域干涉技術與橢偏測量技術相結合，實現在單發脈沖測量中同時測量材料動力學特性和光學特性在泵浦沖擊過程中的變化，從而從材料內部結構和性能變化上對沖擊動力學過程給出解釋；此外，本發明還對超快橢偏儀的關鍵組件，如啁啾脈沖發生單元、泵浦光路單元、探測光路單元和反射光路單元的結構及其布置方式進行了研究和設計，相應的可確保單發脈沖同時測量材料動力學特性與光學特性的實現，為沖擊波加載方面的研究提供重要依據。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面提出了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、啁啾脈沖放大器和非偏振分光鏡一，其中所述飛秒脈沖激光器和啁啾脈沖放大器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、延遲器、平面反射鏡二和聚焦透鏡一，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、平面反射鏡三、起偏器、半波片一和聚焦透鏡二，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、平面反射鏡四、偏振分光單元和光譜儀，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。

作為進一步優選的，所述延遲器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。

作為進一步優選的，所述偏振分光單元包括偏振分光鏡和非偏振分光鏡二，其中所述偏振分光鏡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反射后進入所述非偏振分光鏡二中；所述S偏振光依次經過平面反射鏡六和半波片二后進入所述非偏振分光鏡二中；所述P偏振光和S偏振光經所述非偏振分光鏡二后以微小夾角進入所述光譜儀的狹縫中。

作為進一步優選的，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％。

按照本發明的另一方面，提供了一種可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；