CN106872415A - 结合显微成像的多波长样品光限幅性能的测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

一种结合显微成像的多波长样品光限幅性能的测量装置，包括飞秒激光器、OPA装置、镀膜全反镜Ⅱ、光阑Ⅰ、光阑Ⅱ、安装在电动旋转台上的格兰泰勒棱镜Ⅰ、格兰泰勒棱镜Ⅱ、镀膜全反射镜、照明光源、分束镜Ⅰ、镀膜全反射镜Ⅳ、分束镜Ⅱ、聚焦透镜Ⅰ、能量计Ⅰ、聚焦物镜、收集物镜、分束镜Ⅲ、聚焦透镜Ⅱ、能量计Ⅱ、CCD和计算机。本发明实现样品宽谱光限幅特性测量，且可以观察到光限幅样品表面形貌，入射激光的光斑尺寸以及激光照射后的样品损伤情况，具有自动测量，调节灵活方便，测试动态范围宽，响应速度高效灵敏的特点。

Description

结合显微成像的多波长样品光限幅性能的测量装置和测量 方法

技术领域

本发明属于光限幅性能测量领域，具体涉及一种多波长测量样品光限幅性能并兼具显微成像功能的测量装置及方法。

背景技术

随着激光在各领域的使用越来越广泛，激光已经融入人们的生活中的方方面面，人们逐渐发现，这种具有高强度特点的光源能够轻易损伤光学器件，尤其是人类的眼睛。因此，防止激光的伤害已经不仅仅是一个科学任务，同时也是一个社会的公共安全问题。对于各类光限幅材料的制备一直是科学家们的研究热点，同时对于具有光限幅性能材料的测量系统也在不断的改进与发展当中。其中Z扫描方法作为测量材料非线性性能的手段(Mansoor Sheik-Bahae,Ali A.Said,Tai-Hui Wei,David J.Hagan,E.W.VanStryland.“Sensitive measurement of opticalnonlinearities using a single beam”,IEEEJ.Quantum Elect,26,760-769(1990))，其光路简单，灵敏度比较高，是目前测量材料光限幅性能的主要方法。同时，Taheri等人在1996年提出一种强度扫描的方法(Bahman Taheri,Huimin Liu,B.Jassemnejad,D.Appling,Richard C.Powell,and J.J.Song.“Intensityscan and two photon absorption and nonlinear refraction of C60 in toluene”，Appl ied Physics Letters 68,1317(1996)),该方法通过直接改变入射激光能量，直接得到材料对于不同入射能量的光限幅响应，测量方法简单，精度较高，单次测量时间短，目前也被作为光限幅测量方法广泛使用。

Z扫描技术测量装置简单，测量精度较高，但对待测量样品要求较高，需保证材料表面较为均匀，样品需为透明或半透明材料。同时由于测量过程中光斑尺寸一直变化，无法测量微小尺度下的材料光限幅性能。并且传统测量方式由于光源限制，只能实现单个或某几个波长测量，更换波长过程较为繁琐，需重新调整光路。(参见专利申请号：CN201210487216，公开号：CN102937573A)，该专利使用Z扫描技术进行光限幅测量，使用两个波长作为激发光源，仅仅可以探测部分在该波段范围内有响应的光限幅样品，并且无法测量微观样品所具有的光限幅性能。在测量结束后无法观察到样品表面发生的微小损伤，不利于对材料本身具有的光限幅性能进行更精确的评估。

因此，必须对现有的测量技术进行改进，本发明提出一种可实现多波长测量，同时兼具对微观样品测试及样品损伤阈值探究的新型光限幅测量装置和测量方法。

发明内容

鉴于以上方法的缺点和不足，本发明提供了一种结合显微成像的多波长测试光限幅性能的系统和测量方法，可测量样品在多波长激光下的光限幅性能，并在该系统中加入了显微成像功能，使得该系统可测量宏观和微观各类尺寸样品的光限幅性能，并可观测激光对样品造成的损伤。OPA(optical parametric amplification光学参量放大)装置使得入射激光波长连续可调，简化了光限幅测量过程中更换激光源所需要的光路调整环节，测量得到的样品宽谱限幅性能曲线。系统中加入的显微成像部分，不仅可以弥补传统光限幅测量系统无法测量微观样品的不足，并且可在测量的同时观察到激光光斑，直接得到光斑尺寸大小，从而更精确地计算出入射激光的能量密度。同时利用显微成像装置对比测试前与测试后的样品形貌改变，从而更好的判断样品的光限幅性能阈值。该系统具有适用工作波段宽，响应速度快，测量精度高，测量过程方便的优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种结合显微成像的多波长样品光限幅性能的测量装置，包括飞秒激光器、OPA装置、镀膜全反镜Ⅱ、光阑Ⅰ、光阑Ⅱ、安装在电动旋转台上的格兰泰勒棱镜Ⅰ、格兰泰勒棱镜Ⅱ、镀膜全反射镜、照明光源、分束镜Ⅰ、镀膜全反射镜Ⅳ、分束镜Ⅱ、聚焦透镜Ⅰ、能量计Ⅰ、聚焦物镜、收集物镜、分束镜Ⅲ、聚焦透镜Ⅱ、能量计Ⅱ、CCD和计算机；

沿所述的飞秒激光器的出射光方向依次放置有所述的OPA装置、光阑Ⅰ、光阑Ⅱ、格兰泰勒棱镜Ⅰ、格兰泰勒棱镜Ⅱ、镀膜全反射镜、照明光源和分束镜Ⅰ，沿该分束镜Ⅰ的透射光路依次放置有所述的镀膜全反射镜Ⅳ和分束镜Ⅱ，沿该分束镜Ⅱ的透射光路依次放置有聚焦物镜、样品、收集物镜和分束镜Ⅲ，沿该分束镜Ⅱ的反射光路依次放置所述的聚焦透镜Ⅰ和能量计Ⅰ，沿所述的分束镜Ⅲ的透射光路放置所述的CCD，沿该分束镜Ⅲ的反射光路依次放置有所述的聚焦透镜Ⅱ和能量计Ⅱ，所述的照明光源的出射光以45°角入射至所述的分束镜Ⅰ；

所述的飞秒激光器、电动旋转台分别经控制器连接至计算机，所述的OPA装置和照明光源分别与计算机相连，所述的能量计Ⅰ和能量计Ⅱ分别经表头连接至计算机。

进一步，还包括纳秒激光器、镀膜全反镜Ⅰ和翻折连接架，所述的镀膜全反镜Ⅱ安装在该翻折连接架上。

使用纳秒激光器作为光源时，装有翻折连接架的镀膜全反镜Ⅱ同时使用；在使用飞秒激光器作为光源时，将装有翻折连接架的镀膜全反镜Ⅱ翻折下去，避免阻挡光路。

进一步，入射激光在通过各光学元件时均为正入射，且各光学元件间光路共轴。

所述的样品位于所述的聚焦物镜和收集物镜构成的准直系统的共同焦面处。

利用所述的结合显微成像的多波长样品光限幅性能的测量装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤①打开飞秒激光器，利用计算机将飞秒激光器的重复频率设置为f，出射光单脉冲能量设置为e，利用OPA装置将出射激光波长设置为λ；利用计算机对电动旋转台，能量计Ⅰ和能量计Ⅱ进行初始化，设置电动旋转台旋转过程中初始角度α和终止角度β，每次旋转的角度θ以及相邻两次旋转之间等待时间t，设置能量计Ⅰ和能量计Ⅱ单次读取能量值为n个脉冲能量的平均；

步骤②将待测样品放置于聚焦物镜和收集物镜焦面位置处，打开照明光源和CCD，观察样品尺寸和样品形貌；然后关闭照明光源进行样品光限幅性能测量；

步骤③单波长测量结束后，利用OPA装置更换出射激光波长λ重复上述测量过程，对所得测量数据进行处理，得到不同出射波长λ下样品光限幅性能曲线。

进一步，使用纳秒激光器作为光源时，使用计算机将纳秒激光器重复频率设置为F，出射光单脉冲能量设置为E，出射激光波长为1064nm或532nm。

激发光波长设置部分：本发明采用两种不同激光器作为泵浦激光。其中纳秒激光器波长为532nm或1064nm，脉宽为6ns，重复频率为1-15HZ连续可调，单脉冲能量为0-20mJ。飞秒激光器光源波长为1040nm，脉宽为340fs，重复频率为1-100KHz连续可调，单脉冲能量为0-40uJ，其中最利于OPA装置工作的能量为36uJ，将该激发光源引入OPA装置，OPA装置通过控制器连接至计算机，由设置软件可直接输入所需使用的激发光波长。

激发光能量改变部分：输出的激发光经过光阑Ⅰ，传播50cm后经过光阑Ⅱ，光阑Ⅰ和光阑Ⅱ用于激光光路的准直。通过光阑Ⅱ后将激发光正入射至装有格兰泰勒棱镜Ⅰ的电动旋转台Ⅰ，电动旋转台的初始角度，转动角度，旋转速度，旋转加速度，两次旋转间的等待时间这些参数均由软件设置。入射激光为一偏振方向固定的线偏振光，初始光强为I₀，格兰泰勒棱镜Ⅰ在旋转特定角度后将与入射光的偏振方向存在夹角θ₁，θ₁与电动旋转台Ⅰ的转动角度有关，经过格兰泰勒棱镜Ⅰ后的激发光光强改变为I₀cos²θ₁，偏振方向与格兰泰勒棱镜Ⅰ此时的偏振方向相同。然后激光通过格兰泰勒棱镜Ⅱ，格兰泰勒棱镜Ⅱ的偏振方向设置为与初始入射激光偏振方向一致，此时该激光与格兰泰勒棱镜Ⅱ的偏振方向夹角也为θ₁，因此激光经过格兰泰勒棱镜Ⅱ后的能量改变为I₀cos⁴θ₁。由此我们可以通过改变电动旋转台的转动角度得到连续可调的激发光能量。

激光经过泰勒棱镜Ⅱ后依次经过镀膜全反镜Ⅰ和分束镜Ⅰ，分束镜Ⅰ侧面有一照明光源，该照明光源在对样品进行光限幅性能测量时关闭，其他条件下打开。分束镜Ⅰ对其侧面的照明光源氙灯Ⅰ的分光比为50％。同时，激光经分束镜Ⅰ后能量也减少50％，再经过镀膜全反镜Ⅳ反射后再经过分束镜Ⅱ，分束镜Ⅱ的反射光与透射光之比为1:9，透射光部分之后再经聚焦透镜Ⅰ聚焦后照射在样品上，经过样品后进入收集透镜Ⅰ中，同时样品位于由聚焦透镜Ⅰ和收集透镜Ⅰ所构成的准直系统的焦平面位置处；反射光部分经透镜收集后照射到能量计Ⅰ上，作为参考光，用于减少误差。激光和照明光源从收集物镜出射后经过分束镜Ⅱ，分束镜Ⅱ产生的透射光和反射光的强度比为1:9。其中透射光部分进入CCD中，通过将CCD连接至计算机可直接观察样品形貌和激光光斑。通过将样品表面的激光光斑与微米尺刻度进行对比，得到光斑直径，从而算出光斑面积。经过分束镜Ⅱ产生的反射光部分直接照射到能量计上，将能量计连接至计算机便可得到此时的激光能量。

本发明的有益效果是：

1.将OPA装置加入测量系统，改变入射激光波长，弥补了原有光限幅测量系统只能对单个或某几个波长入射激光进行样品测试，可在同一系统上得到某个样品对于可见到近红外所有波长入射激光的光限幅性能，简化了测量过程，操作过程简单，测量精度高。

2.利用显微成像系统，弥补了传统光限幅测量系统只能测量大尺寸样品的不足，将光限幅测量系统同时应用于微小尺度的样品，同时可根据观察到的激光光斑，直接得到入射激光的光斑尺寸，省去了对激光光斑尺寸的模拟计算过程，测量结果更加准确。

3.可以在进行样品光限幅性能测量之后观察样品的形貌，判断此次测试是否对样品造成损伤，从而更好地得到样品的损伤阈值，对具有光限幅效应的样品进行更全面地评估。

附图说明

图1为本发明的结合显微成像的多波长测试样品光限幅性能系统的装置光路示意图；

图2为本发明的实验数据和理论拟合得到的曲线，即光透过率随着入射光强的变化曲线，采用光源波长为515nm，脉宽340fs，重复频率1000Hz。所采用的样品为锌酞菁PMMA薄膜。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1为本发明的结合显微成像的多波长测试样品光限幅性能系统的装置光路示意图；如图所示，一种结合显微成像的多波长样品光限幅性能的测量装置，包括飞秒激光器1、OPA装置2、镀膜全反镜Ⅱ5、光阑Ⅰ6、光阑Ⅱ7、安装在电动旋转台9上的格兰泰勒棱镜Ⅰ8、格兰泰勒棱镜Ⅱ10、镀膜全反射镜11、照明光源12、分束镜Ⅰ13、镀膜全反射镜Ⅳ14、分束镜Ⅱ15、聚焦透镜Ⅰ16、能量计Ⅰ17、聚焦物镜18、收集物镜20、分束镜Ⅲ21、聚焦透镜Ⅱ22、能量计Ⅱ23、CCD24和计算机25；

沿所述的飞秒激光器1的出射光方向依次放置有所述的OPA装置2、光阑Ⅰ6、光阑Ⅱ7、格兰泰勒棱镜Ⅰ8、格兰泰勒棱镜Ⅱ10、镀膜全反射镜11、照明光源12和分束镜Ⅰ13，沿该分束镜Ⅰ13的透射光路依次放置有所述的镀膜全反射镜Ⅳ14和分束镜Ⅱ15，沿该分束镜Ⅱ15的透射光路依次放置有聚焦物镜18、样品19、收集物镜20和分束镜Ⅲ21，沿该分束镜Ⅱ(15)的反射光路依次放置所述的聚焦透镜Ⅰ16和能量计Ⅰ17，沿所述的分束镜Ⅲ21的透射光路放置所述的CCD24，沿该分束镜Ⅲ21的反射光路依次放置有所述的聚焦透镜Ⅱ22和能量计Ⅱ23，所述的照明光源12的出射光以45°角入射至所述的分束镜Ⅰ13；

所述的飞秒激光器1和电动旋转台6分别经控制器连接至计算机25，所述的OPA装置2和照明光源12分别与计算机25相连，所述的能量计Ⅰ17和能量计Ⅱ23分别经表头连接至计算机25。还包括纳秒激光器3、镀膜全反镜Ⅰ4和翻折连接架，所述的镀膜全反镜Ⅱ5安装在该翻折连接架上。使用纳秒激光器3作为光源时，装有翻折连接架的镀膜全反镜Ⅱ5同时使用；在使用飞秒激光器作为光源时，将装有翻折连接架的镀膜全反镜Ⅱ5翻折下去，避免阻挡光路。

实施例1

1.根据附图1所示装置示意图搭建实验光路，打开飞秒激光器，将输出光能量设置为3.6uJ，重复频率设置为1KHz。

2.打开OPA装置，电动旋转台，CCD和能量计，连接至计算机后依次通过软件对其初始化，将OPA装置输出波长设置为515nm。

3，调整好实验光路，使出射激光正入射至各光学元件，各光学元件间共轴。

4.打开电动旋转台，能量计Ⅰ和能量计Ⅱ。将电动旋转台旋转初始角度和终止角度分别设置为0゜和180゜，每次旋转的角度设置为3゜，两次转动间等待时间设置为0.5s。将设置能量计Ⅰ17和能量计Ⅱ23单次读取能量值为1000个激光脉冲能量的平均。

5.打开CCD的成像软件和照明光源，在样品台上放置微米尺，保存该图片后取下微米尺。此步骤用于对当前物镜放大倍数下视场面积内的单位长度进行定标。

6.将待测样品放置到样品台上，位于聚焦透镜焦点位置。通过观察CCD显示的图像确定激光打在样品上。若样品尺寸较小，则需调整样品位置，直至激光打在待测样品表面。观察并保存CCD成像软件窗口样品表面形貌和激光光斑图片，通过与之前保存的微米尺图片进行比较，读出激光光斑直径，之后关闭照明光源。

7.通过软件操作界面开始样品测量，此时电动旋转台将根据设定好的程序运行，由能量计记录对应角度下入射激光的能量，通过将能量计Ⅱ探测到的能量(信号光)与能量计Ⅰ探测到的能量(参考光)进行对比，得到样品透过率随着对应角度的变化曲线。单次测量结束后，对测量的数据进行处理，得到样品透过率随着入射激光能量密度的变化曲线，该曲线直观的反映了样品在该入射波长下所具有的光限幅性能。

8.单次测量结束后，打开CCD成像软件和照明光源，观察样品表面形貌是否发生改变，保存该图片，与未测量时样品表面形貌进行对比。若样品表面形貌发生改变，即存在损伤则需更换照射位置并减小入射激光能量进行重新测量；若无明显变化则可进一步加大激光能量并重复上述操作步骤，探索样品损伤阈值。

9.单一波长测量结束后，在OPA软件操作界面上更换入射波长，重复上述测量过程，对不同波长下样品光限幅曲线进行记录，对数据进行处理后最终得到样品对不同波长的光限幅性能响应曲线。

Claims (7)

1.一种结合显微成像的多波长样品光限幅性能的测量装置，其特征是：包括飞秒激光器(1)、OPA装置(2)、镀膜全反镜Ⅱ(5)、光阑Ⅰ(6)、光阑Ⅱ(7)、安装在电动旋转台(9)上的格兰泰勒棱镜Ⅰ(8)、格兰泰勒棱镜Ⅱ(10)、镀膜全反射镜(11)、照明光源(12)、分束镜Ⅰ(13)、镀膜全反射镜Ⅳ(14)、分束镜Ⅱ(15)、聚焦透镜Ⅰ(16)、能量计Ⅰ(17)、聚焦物镜(18)、收集物镜(20)、分束镜Ⅲ(21)、聚焦透镜Ⅱ(22)、能量计Ⅱ(23)、CCD(24)和计算机(25)；

沿所述的飞秒激光器(1)的出射光方向依次放置有所述的OPA装置(2)、光阑Ⅰ(6)、光阑Ⅱ(7)、格兰泰勒棱镜Ⅰ(8)、格兰泰勒棱镜Ⅱ(10)、镀膜全反射镜(11)、照明光源(12)和分束镜Ⅰ(13)，沿该分束镜Ⅰ(13)的透射光路依次放置有所述的镀膜全反射镜Ⅳ(14)和分束镜Ⅱ(15)，沿该分束镜Ⅱ(15)的透射光路依次放置有聚焦物镜(18)、样品(19)、收集物镜(20)和分束镜Ⅲ(21)，沿该分束镜Ⅱ(15)的反射光路依次放置所述的聚焦透镜Ⅰ(16)和能量计Ⅰ(17)，沿所述的分束镜Ⅲ(21)的透射光路放置所述的CCD(24)，沿该分束镜Ⅲ(21)的反射光路依次放置有所述的聚焦透镜Ⅱ(22)和能量计Ⅱ(23)，所述的照明光源(12)的出射光以45°角入射至所述的分束镜Ⅰ(13)；

所述的飞秒激光器(1)和电动旋转台(6)分别经控制器连接至计算机(25)，所述的OPA装置(2)和照明光源(12)分别与计算机(25)相连，所述的能量计Ⅰ(17)和能量计Ⅱ(23)分别经表头连接至计算机(25)。

2.根据权利要求1所述的结合显微成像的多波长样品光限幅性能的测量装置，其特征是：还包括纳秒激光器(3)、镀膜全反镜Ⅰ(4)和翻折连接架，所述的镀膜全反镜Ⅱ(5)安装在该翻折连接架上。

3.根据权利要求2所述的结合显微成像的多波长样品光限幅性能的测量装置，其特征是：使用纳秒激光器(3)作为光源时，装有翻折连接架的镀膜全反镜Ⅱ(5)同时使用；在使用飞秒激光器作为光源时，将装有翻折连接架的镀膜全反镜Ⅱ(5)翻折下去，避免阻挡光路。

4.根据权利要求1所述的结合显微成像的多波长样品光限幅性能的测量装置，其特征是：入射激光在通过各光学元件时均为正入射，且各光学元件间光路共轴。

5.根据权利要求1所述的结合显微成像的多波长样品光限幅性能的测量装置，其特征是：所述的样品(19)位于所述的聚焦物镜(18)和收集物镜(20)构成的准直系统的共同焦面处。

6.利用权利要求1-5任一所述的结合显微成像的多波长样品光限幅性能的测量装置的测量方法，其特征是：该测量方法包括如下步骤：

步骤①打开飞秒激光器(1)，利用计算机(25)将飞秒激光器(1)的重复频率设置为f，出射光单脉冲能量设置为e，利用OPA装置(2)将出射激光波长设置为λ；利用计算机对电动旋转台(9)，能量计Ⅰ(17)和能量计Ⅱ(23)进行初始化，设置电动旋转台旋转过程中初始角度α和终止角度β，每次旋转的角度θ以及相邻两次旋转之间等待时间t，设置能量计Ⅰ(17)和能量计Ⅱ(23)单次读取能量值为n个脉冲能量的平均；

步骤②将待测样品(19)放置于聚焦物镜和收集物镜焦面位置处，打开照明光源(12)和CCD(24)，观察样品尺寸和样品形貌；然后关闭照明光源(12)进行样品光限幅性能测量；

步骤③单波长测量结束后，利用OPA装置(2)更换出射激光波长λ重复上述测量过程，对所得测量数据进行处理，得到不同出射波长λ下样品光限幅性能曲线。

7.根据权利要求6所述的结合显微成像的多波长样品光限幅性能的测量装置的测量方法，其特征是：使用纳秒激光器(3)作为光源时，使用计算机(25)将纳秒激光器(3)重复频率设置为F，出射光单脉冲能量设置为E，出射激光波长为1064nm或532nm。