[發(fā)明專利]超短脈沖激光燒蝕物體的超快連續(xù)三維成像系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110079694.2
• 申請日: 2021-01-21
• 公開（公告）號: CN112894149B
• 公開（公告）日: 2021-11-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 姜瀾;郭寶山;張?zhí)煊?/a>
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: B23K26/362
• 分類號: B23K26/362;B23K26/70
• 代理公司: 北京正陽理工知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

本發(fā)明涉及一種超短脈沖激光燒蝕物體的超快連續(xù)三維成像系統(tǒng)及方法，屬于超快成像領(lǐng)域。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)超高時間分辨率的物體表面三維輪廓信息的獲取與復(fù)原。系統(tǒng)具體包括超短脈沖激光光源、超連續(xù)譜發(fā)生器、脈沖分離延時器、多頻脈沖干涉條紋發(fā)生器、起偏器、時間延遲平臺、樣品、圖像獲取裝置、計算機(jī)、分束?合束鏡、反射鏡及圖像三維輪廓提取方法。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)超短脈沖激光燒蝕物體材料過程中的超快連續(xù)三維觀測，時間分辨率達(dá)飛秒?皮秒量級，可呈現(xiàn)物體被加工過程中表面三維形貌，增強(qiáng)實(shí)驗過程中的連續(xù)可觀性，為超短脈沖激光燒蝕加工物體的機(jī)理研究提供重要輔助作用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種超短脈沖激光燒蝕物體的超快連續(xù)三維成像系統(tǒng)及方法，屬于超快成像領(lǐng)域。

背景技術(shù)

超短脈沖激光具有非常短的時間尺度(ns-ps-fs)和超高的能量密度(10¹⁴W/cm²)，可以被用來在材料表面或內(nèi)部加工一些精細(xì)復(fù)雜的微納結(jié)構(gòu)。然而超短脈沖激光與材料的相互作用是一個瞬態(tài)過程，機(jī)理現(xiàn)象非常不容易觀測。包括皮秒時間尺度內(nèi)的激光沖擊波前沿傳播，材料分子弛豫振動等；飛秒時間尺度內(nèi)的分子結(jié)構(gòu)運(yùn)動，半導(dǎo)體載流子運(yùn)動、等離子體形成等等，雖然人們通過加工后的材料的面或內(nèi)部形貌對其加工機(jī)理進(jìn)行解釋，但所述中間反應(yīng)過程的機(jī)理非常復(fù)雜，往往不容易解釋清楚。

目前較為成熟的超快觀測手段為泵浦探測技術(shù)，最快可以實(shí)現(xiàn)飛秒量級的延時攝影，但它只能實(shí)現(xiàn)單次單幅成像，對于那些難以復(fù)制或非重復(fù)過程，并不適用，也不能對超快激光與材料持續(xù)的反應(yīng)過程進(jìn)行更為細(xì)致的觀測，鑒于上述缺陷，在成像手段上不僅需要具有超短的時間間隔，即成像時間分辨率；而且還需要能夠?qū)Τ掷m(xù)反應(yīng)過程進(jìn)行觀測，即成像深度。

另外，上述的成像手段僅為二維成像，包括其他的超快成像觀測技術(shù)，但為了更直觀的展現(xiàn)出材料在經(jīng)超短脈沖激光燒蝕后的形貌變化，三維成像技術(shù)必不可少，雖然領(lǐng)域內(nèi)存在較為完善的三維成像技術(shù)，但大多在宏觀可視領(lǐng)域，在超快成像和微納成像方面，尤其是在如何觀測超短脈沖激光燒蝕物體時的超高時間分辨率的連續(xù)三維成像方面，所做研究寥寥無幾。所以迫切需要一種既可實(shí)現(xiàn)超快多幀連續(xù)成像，又能展現(xiàn)材料三維形貌變化的技術(shù)來進(jìn)一步解釋超短脈沖激光與材料的作用機(jī)理。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是解決超短脈沖激光在燒蝕物體的持續(xù)作用過程中，難以獲取物體的表面形貌特征，不能對物體材料與激光相互作用機(jī)理現(xiàn)象進(jìn)行超快連續(xù)有效觀測的技術(shù)難題，提出了一種超短脈沖激光燒蝕物體的超快連續(xù)三維成像系統(tǒng)及方法，可以實(shí)現(xiàn)超高時間分辨率的物體表面三維輪廓信息的獲取與復(fù)原。

本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

超短脈沖激光燒蝕物體的超快連續(xù)三維成像方法，將超連續(xù)譜中不同波段的頻譜進(jìn)行時間分離，產(chǎn)生脈沖序列，然后等分，使同一波段范圍的光譜在時間軸上一一對應(yīng)產(chǎn)生干涉條紋，繼而具有超短時間間隔的若干干涉條紋圖案照射樣品，最后分別由不同CCD捕獲，經(jīng)計算機(jī)處理后獲得樣品的三維形貌，實(shí)現(xiàn)超快連續(xù)的三維觀測。

超短脈沖激光燒蝕物體的超快連續(xù)三維成像方法，超短脈沖激光光源發(fā)出超短脈沖激光光束后，經(jīng)分束-合束鏡分為泵浦光束和探測光束，其中泵浦光束經(jīng)透鏡聚焦于樣品表面，對其進(jìn)行燒蝕，探測光束照射樣品表面后反射到圖像獲取裝置，用來成像；所述泵浦光束經(jīng)起偏器調(diào)整為與探測光束不同的偏振態(tài)，后經(jīng)時間延遲平臺到達(dá)樣品，進(jìn)行燒蝕加工。所述探測光束經(jīng)超連續(xù)譜發(fā)生器后產(chǎn)生具有若干倍頻層，頻譜極寬的超連續(xù)光譜，后經(jīng)所述脈沖分離延時器后生成時間上具有特定間隔的不同波長的連續(xù)子脈沖串，并進(jìn)一步被分束-合束鏡等分為兩束脈沖串，其中一束經(jīng)不同截止波段的二項色鏡劃分為不同波長范圍的脈沖，與未被劃分的脈沖串在波段上產(chǎn)生一一對應(yīng)的重疊，即時間上對應(yīng)，產(chǎn)生不同波長的干涉條紋；如此，具有時間間隔的多個不同波長脈沖干涉條紋圖案先后照射樣品，以攜帶物體表面輪廓信息的干涉條紋圖案經(jīng)分束-合束鏡反射后再以相同截止頻率的二項色鏡反射后到達(dá)對應(yīng)CCD，并被捕獲，后在計算機(jī)上經(jīng)圖像三維輪廓提取方法提取并恢復(fù)物體表面的三維輪廓，繪成三維圖。