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1、(10)申请公布号 CN 102944518 A (43)申请公布日 2013.02.27 CN 102944518 A *CN102944518A* (21)申请号 201210468840.1 (22)申请日 2012.11.20 G01N 21/17(2006.01) (71)申请人 合肥知常光电科技有限公司 地址 230031 安徽省合肥市高新区望江西路 800 号动漫基地 C4 楼 2 层 208 室 (72)发明人 吴周令 陈坚 黄明 (74)专利代理机构 合肥天明专利事务所 34115 代理人 金凯 (54) 发明名称 基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检 测方法及装置 (57。
2、) 摘要 本发明公开了一种基于驻波激发瞬态体光栅 效应的材料特性检测方法及装置， 首先泵浦光束 透过被测样品后被反射装置反射重新进入被测样 品内部与初始入射的泵浦光束重叠， 由于光学干 涉效应形成驻波， 产生周期性光强分布， 形成瞬态 体光栅， 探测光束入射到被测样品内部瞬态体光 栅区域， 由于瞬态体光栅的衍射效应， 最终探测 光束被分成衍射光束和透射光束， 通过检测衍射 光束或透射光束的强度、 位相以及其随时间的变 化获得被测样品材料的相关特性。本发明的光路 简单、 瞬态光栅特性稳定， 在实际应用中将有利于 相关分析检测仪器的系统集成和微型化， 获得更 好的可靠性和稳定性， 可以用于光热检测。
3、、 光声检 测、 半导体动态输运特性检测、 光热生物及医学检 测、 光热光谱检测及光学材料非线性光学特性分 析等多个领域。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 1/1 页 2 1. 基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测方法， 其特征在于 ： 包括以下步骤 ： （1） 、 首先用泵浦光源相对被测样品表面发射泵浦光束， 泵浦光束进入被测样品内部最 终从被测样品背面出射， 出射后的泵浦光束经设置于被测样品背面后端的反射装置反射重 新进入被测样品内部与。
4、初始入射的泵浦光束重叠， 在重叠区域内由于光学干涉效应形成驻 波， 产生周期性的光强分布， 这种周期性的光强分布在与被测样品材料相互作用时将对被 测样品材料特性产生周期性的空间调制， 形成瞬态体光栅 ； （2） 、 由探测光源发出的探测光束以与瞬态体光栅法线成一定角度的方向入射到被测 样品内部并在被测样品内部瞬态体光栅区域产生衍射效应， 入射的探测光束一部分将被衍 射， 一部分直接透射， 即最终探测光束被分成衍射光束和透射光束 ； （3） 、 通过检测衍射光束或透射光束的强度、 位相以及其随时间的变化获得被测样品材 料的相关特性。 2. 根据权利要求 1 所述的基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料。
5、特性检测方法， 其特征 在于 ： 所述的泵浦光束为光强调制的连续光或是脉冲光。 3. 根据权利要求 1 所述的基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测方法， 其特征 在于 ： 所述的探测光束从被测样品表面或被测样品侧面入射到被测样品内部。 4. 基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测装置， 包括有泵浦光源和探测光源， 其特征在于 ： 所述的材料特性检测装置还包括有相对被测样品背面设置的反射装置。 5. 根据权利要求 5 所述的基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测装置， 其特征 在于 ： 所述的材料特性检测装置还包括有顺次设置于泵浦光源和被测样品表面之间的泵浦 光滤波扩束准直系统、 浦光束。
6、位置调整系统和泵浦光聚焦透镜， 顺次设置于探测光源和被 测样品表面或一侧面之间的探测光滤波扩束准直系统、 探测光束位置调整系统和探测光聚 焦透镜， 以及设置于被测样品背面和反射装置之间的泵浦光准直透镜。 6. 根据权利要求 5 或 6 所述的基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测装置， 其 特征在于 ： 所述的反射装置包括有反射镜装夹调整装置和设置于反射镜装夹调整装置上的 高反射率镜。 7. 根据权利要求 6 所述的基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测装置， 其特征 在于 ： 所述的材料特性检测装置还包括有顺次设置于被测样品背面或另一侧面后端的探测 光准直透镜、 探测光束调整透镜、 探测。
7、光空间滤波器、 探测光滤光片和光电探测器。 权 利 要 求 书 CN 102944518 A 2 1/4 页 3 基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测方法及装置 0001 技术领域 0002 本发明涉及激光激发瞬态光栅效应及其应用领域， 具体是一种基于驻波激发瞬态 体光栅效应的材料特性检测方法及装置。 背景技术 0003 激光激发瞬态光栅技术 （the laser-induced transient grating technique） 广 泛用于各类材料的特性研究和分析， 特别是材料光热响应、 光声效应、 驰豫及输运特性、 以 及非线性光学特性等的研究和分析。 0004 激光激发瞬态光栅。
8、技术的基本原理可以描述如下 ： 两束相干激光束 （通常称泵浦 光） 在材料表面或内部重叠， 由于光学干涉效应， 在两束光的重叠区域将产生周期性的光强 分布 ； 这种周期性的光强分布在与材料相互作用时将对材料特性产生周期性的空间调制 ； 这种周期性的空间调制将对入射其中的第三束光 （通常称探测光） 产生衍射效应 ； 通过检测 和分析探测光的衍射效应就能获得材料的相关特性。 0005 根据泵浦光与被测材料相互作用的不同原理及其具体的检测方法， 激光激发瞬态 光栅技术可用来分析材料的光热特性、 光声相应、 驰豫及输运特性、 以及非线性光学特性 等。 0006 现有的激光诱导瞬态光栅技术根据泵浦光的特。
9、性可大体上分为两大类。 第一类是 利用光强调制的连续激光来作为泵浦光， 利用材料的光学吸收而产生的光热效应或者半导 体材料的光激发载流子效应等而获得与泵浦光空间分布相对应的瞬态光栅。 该方法的优点 是可以利用锁相技术对探测光的衍射效应进行检测和分析， 信噪比好， 检测灵敏度高。 0007 第二类是利用脉冲激光来作为泵浦光。当利用脉冲激光来作为泵浦光时， 材料的 光学吸收、 半导体材料的光激发载流子效应、 以及材料的光学折射率非线性效应等都可以 产生瞬态光栅效应。具体应用时根据具体的材料特征和实验条件， 可以用一种或多种物理 模型来对结果进行模拟和分析， 从而获得被测材料的相关特性。 0008 。
10、不管是利用光强调制的连续激光还是利用脉冲激光作为泵浦光源， 在已有的激光 激发瞬态光栅技术中， 瞬态光栅都是通过两束相干激光的干涉而形成的。这种方法先要把 一束相干的激光一分为二， 再通过一套光学装置让这两束光在样品表面或内部重叠， 产生 干涉效应。这种方法的优点是瞬态光栅的周期可以通过调整两束光的角度来进行调整， 在 测量时具有较强的灵活性 ； 缺点是光路相对较为复杂， 光路调整误差对光栅特性影响较大， 从而在实际应用中不利于检测系统的稳定性、 可靠性以及微型化。 发明内容 0009 本发明要解决的技术问题是提供一种基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性 检测方法及装置， 其具有光路简单、 光。
11、栅特性稳定等特点， 在实际应用中将有利于相关分析 说 明 书 CN 102944518 A 3 2/4 页 4 检测仪器的系统集成和微型化， 获得更好的可靠性和稳定性。 0010 本发明的技术方案为 ： 基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测方法， 包括以下步骤 ： （1） 、 首先用泵浦光源相对被测样品表面发射泵浦光束， 泵浦光束进入被测样品内部最 终从被测样品背面出射， 出射后的泵浦光束经设置于被测样品背面后端的反射装置反射重 新进入被测样品内部与初始入射的泵浦光束重叠， 在重叠区域内由于光学干涉效应形成驻 波， 产生周期性的光强分布， 这种周期性的光强分布在与被测样品材料相互作用时将对。
12、被 测样品材料特性产生周期性的空间调制， 形成瞬态体光栅 ； （2） 、 由探测光源发出的探测光束以与瞬态体光栅法线成一定角度的方向入射到被测 样品内部并在被测样品内部瞬态体光栅区域产生衍射效应， 入射的探测光束一部分将被衍 射， 一部分直接透射， 即最终探测光束被分成衍射光束和透射光束 ； （3） 、 通过检测衍射光束或透射光束的强度、 位相以及其随时间的变化获得被测样品材 料的相关特性。 0011 所述的泵浦光束为光强调制的连续光或是脉冲光。 0012 所述的探测光束从被测样品表面或被测样品侧面入射到被测样品内部。 0013 基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测装置， 包括有泵浦光源、。
13、 探测光源 和相对被测样品背面设置的反射装置。 0014 所述的材料特性检测装置还包括有顺次设置于泵浦光源和被测样品表面之间的 泵浦光滤波扩束准直系统、 浦光束位置调整系统和泵浦光聚焦透镜， 顺次设置于探测光源 和被测样品表面或一侧面之间的探测光滤波扩束准直系统、 探测光束位置调整系统和探测 光聚焦透镜， 以及设置于被测样品背面和反射装置之间的泵浦光准直透镜。 0015 所述的反射装置包括有反射镜装夹调整装置和设置于反射镜装夹调整装置上的 高反射率镜。 0016 所述的材料特性检测装置还包括有顺次设置于被测样品背面或另一侧面后端的 探测光准直透镜、 探测光束调整透镜、 探测光空间滤波器、 探测。
14、光滤光片和光电探测器。 0017 本发明的原理 ： 本发明的瞬态体光栅随着泵浦光的光强变化而变化， 当泵浦光消失时， 它经过一段驰 豫时间后也将消失， 瞬态体光栅将对入射其中的探测光产生衍射效应， 而通过检测和分析 探测光的衍射效应就能获得材料的相关特性。 0018 本发明来自被测样品表面和背面的多次反射现象对被测样品内部驻波场分布的 影响可以忽略， 这种忽略适用对镀有减反射膜的光学样品， 另外它对厚度尺寸相对泵浦光 相干长度而言很大的样品也是基本适用的 ； 而在其他情况下， 则可以通过把被测样品相对 泵浦光倾斜一定角度放置而避免样品表面多次反射效应对样品体内驻波场分布产生很大 影响， 如图 。
15、3 所示。 0019 本发明的优点 ： （1） 、 本发明的光路简单、 光栅特性稳定， 在实际应用中将有利于相关分析检测仪器的 系统集成和微型化， 获得更好的可靠性和稳定性 ； （2） 、 本发明在探测光路一致、 泵浦光源功率相同的条件下， 不需要对泵浦光进行分光， 因此其所激发的干涉驻波场强度要比传统的双光束干涉方法增强很多， 这在实际应用中可 说 明 书 CN 102944518 A 4 3/4 页 5 以在保持检测灵敏度不变的情况下较大幅度降低对泵浦光源的功率水平的要求， 从而较大 幅度降低相关检测与分析仪器的成本、 体积和重量。 附图说明 0020 图 1 是本发明探测光从被测样品表面。
16、入射的原理示意图。 0021 图 2 是本发明探测光从被测样品侧面入射的原理示意图。 0022 图 3 是本发明被测样品斜置的原理示意图。 0023 图 4 是基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测装置的实施例结构示意图。 具体实施方式 0024 基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测方法， 包括以下步骤 ： （1） 、 首先用泵浦光源 1 相对被测样品 2 表面发射泵浦光束， 泵浦光束进入被测样品 2 内部并最终从被测样品 2 背面出射， 出射后的泵浦光束经设置于被测样品 2 背面后端的高 反射率镜 4 反射重新进入被测样品 2 内部与初始入射的泵浦光束重叠， 在重叠区域内由于 光学干涉。
17、效应形成驻波， 产生周期性的光强分布， 这种周期性的光强分布在与被测样品材 料相互作用时将对被测样品材料特性产生周期性的空间调制， 形成瞬态体光栅 ； （2） 、 探测光源 3 发出的探测光束， 以与瞬态体光栅法线成一定角度的方向入射到被测 样品 2 上产生瞬态体光栅的区域， 产生衍射效应， 探测光束可以从被测样品 2 表面 （见图 1） 或从被测样品 2 侧面 （见图 2） 入射到被测样品 2 上， 由于衍射效应， 入射的探测光束一部分 将被衍射， 一部分为直接透射， 即最终探测光被分成衍射光和透射光 ； 实际应用中可以通过 把被测样品相对泵浦光倾斜一定角度放置而避免样品表面多次反射效应对样。
18、品体内驻波 场分布产生很大影响 （见图 3） 。 0025 （3） 、 通过检测衍射光或透射光的强度、 位相以及其随时间的变化获得被测样品材 料的相关特性 ； 其中， 泵浦光束为光强调制的连续光或是脉冲光。图 4 是本发明所述的基于驻波激发 瞬态体光栅效应的材料特性检测装置的一种实施典例的结构示意图， 包括有泵浦光源 1， 探 测光源 3， 相对被测样品 2 背面设置的反射装置， 顺次设置于泵浦光源 1 和被测样品 2 表面 之间的泵浦光滤波扩束准直系统 4、 浦光束位置调整系统 5 和泵浦光聚焦透镜 6， 顺次设置 于探测光源3和被测样品2表面之间的探测光滤波扩束准直系统7、 探测光束位置调。
19、整系统 8 和探测光聚焦透镜 9， 以及设置于被测样品 2 背面和反射装置之间的泵浦光准直透镜 10， 顺次设置于被测样品 2 背面后端的探测光准直透镜 13、 探测光束调整透镜 14、 探测光空间 滤波器 15、 探测光滤光片 16 和光电探测器 17 ； 其中， 反射装置包括有反射镜装夹调整装置 11 和设置于反射镜装夹调整装置 11 上的高反射率镜 12， 被测样品 2 的放置角度满足其被 测样品 2 表面与泵浦光束的入射方向之间形成合理的角度， 以避免泵浦光在样品内部形成 多次反射而影响样品内部的驻波场分布。 0026 利用基于驻波激发瞬态体光栅效应的材料特性检测装置进行检测的方法， 。
20、具体包 括以下步骤 ： （1） 、 泵浦光源 1 发出脉冲泵浦光束， 脉冲泵浦光束经过滤波扩束准直系统 4 后由泵浦 光束位置调整系统 5 进行相对位置调整， 然后通过泵浦光聚焦透镜 6 聚焦到被测样品 2 的 说 明 书 CN 102944518 A 5 4/4 页 6 内部， 泵浦光聚焦透镜6具有相对较长的焦距， 聚焦后的泵浦光束在被测样品2内部具有较 长的焦深和适当的横向尺寸， 然后从被测样品2出射的泵浦光束经过泵浦光准直透镜10后 被高反射率镜 12 反射回来， 在被测样品 2 内部与初始入射泵浦光束重叠， 并在重叠区域内 形成驻波场 ； 高反射率镜 12 夹在能够灵活调整角度和位置的。
21、反射镜夹紧装置 11 上 ； 由于 被测样品 2 对泵浦光束波长存在光学吸收， 在重叠区域内形成的驻波场将在相应区域内形 成与驻波场光强相对应的周期性温度分布调制， 从而激发瞬态热光栅效应， 这种瞬态热光 栅效应将由一种另一波长的探测光束进行探测 ； （2） 、 探测光源 3 发出与泵浦激光束波长不同的探测光束， 探测光束经过滤波扩束准直 系统 7 后由探测光束位置调整系统 8 进行相对位置调整， 然后通过探测光聚焦透镜 9 聚焦 到被测样品2内部， 探测光束入射方向与瞬态体光栅法线成一定角度， 探测光聚焦透镜9具 有合适的焦距， 聚焦后的探测光束在被测样品 2 内部具有较长的焦深和适当的横向。
22、尺寸， 并在适当离焦的位置与泵浦光激发的瞬态体光栅相互作用， 产生衍射效应 ； 入射的探测光 束一部分将被衍射， 一部分直接透射， 即最终探测光束被分成衍射光束和透射光束 ； （3） 、 透射光束经过探测光准直透镜 13 后由探测光束调整透镜 14 汇聚， 汇聚光束由探 测光束调整透镜 14 出射后经过探测光空间滤波器 15 和探测光滤光片 16 后入射到光电探 测器 17 上 ； 探测光空间滤波器 15 的主要功能是滤去透过体光栅的衍射光和其他来源于与 探测光同样波长的杂散光， 探测光滤光片 16 的主要功能是透过探测光同时过滤掉来源于 泵浦光及其他波长的杂散光， 光电探测器 17 得到的光。
23、强信号及其随时间的变化可以通过 一定的检测电路和计算机来进行检测、 分析和计算。 如果泵浦光是脉冲光， 则检测电路一般 为同步相关检测电路 （如 Boxcar 积分器） ； 如果泵浦光是强度调制的连续光， 则检测电路一 般为锁相检测电路 （如 Lock-in 放大器） 。 0027 由于驻波场激发的瞬态体光栅的调制深度和驰豫时间等与被测样品的光学吸收、 热学、 驰豫及输运特性、 以及非线性光学特性等都可能紧密相关， 根据具体的实验条件， 通 过使用合适的物理模型和分析方法， 激光激发瞬态光栅技术可用来分析材料的光热特性、 光声相应、 驰豫及输运特性、 以及非线性光学特性等。 说 明 书 CN 102944518 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 102944518 A 7 2/2 页 8 图 4 说 明 书 附 图 CN 102944518 A 8 。