激光诱导熔石英损伤样品缺陷的太赫兹近场检测系统及方法

文档序号:1874304 发布日期:2021-11-23 浏览:14次 >En<

阅读说明:本技术 激光诱导熔石英损伤样品缺陷的太赫兹近场检测系统及方法 (Terahertz near field detection system and method for sample damage defect induced by laser melting of quartz ) 是由 张振 刘艺 马勇 潘武 肖惠云 冉佳 黄文� 郝宏刚 李国军 于 2021-07-30 设计创作,主要内容包括:本发明公开了激光诱导熔石英损伤样品缺陷的太赫兹近场检测系统及方法,包括激光诱导损伤单元和太赫兹近场检测单元;激光诱导损伤单元:激光I发射的激光诱导样品产生损伤;激光II发射的激光照射样品以便通过CCD探测器监视样品表面损伤情况。太赫兹近场检测单元:激光源III发射的激光经分束镜II分为泵浦光和探测光;泵浦光经电导天线辐射出太赫兹波、再经斩波器后照射到损伤后的样品的下表面;探测光到达光电导微探针的针尖,用于产生自由载流子,在太赫兹电场的作用下产生光电流;光电导微探针用于检测穿过样品的太赫兹波。本发明可在线直接检测熔石英损伤后缺陷,同时高分辨率表征表层与亚表层的缺陷,能够较准确的标定损伤缺陷位置。(The invention discloses a terahertz near field detection system and method for detecting defects of a damaged sample of laser-induced fused quartz, wherein the terahertz near field detection system comprises a laser-induced damage unit and a terahertz near field detection unit; laser-induced damage unit: the laser I emits laser to induce the sample to generate damage; the laser emitted by the laser II irradiates the sample so as to monitor the damage condition of the surface of the sample through a CCD detector. Terahertz near field detection unit: laser emitted by the laser source III is divided into pump light and probe light by the beam splitter II; the pumping light radiates terahertz waves through the conductive antenna, and then irradiates the lower surface of the damaged sample through the chopper; the detection light reaches the needle tip of the photoconductive microprobe and is used for generating free carriers and generating photocurrent under the action of a terahertz electric field; the photoconductive microprobe is used to detect terahertz waves passing through a sample. The method can directly detect the defects of the damaged fused quartz on line, simultaneously characterize the defects of the surface layer and the subsurface layer with high resolution, and can accurately calibrate the positions of the damaged defects.)

激光诱导熔石英损伤样品缺陷的太赫兹近场检测系统及方法

技术领域

本发明涉及光学元件损伤探测技术领域,具体涉及一种激光诱导熔石英损伤样品缺陷的太赫兹近场检测系统及方法。

背景技术

熔石英元件具有良好的光学性质,是高功率激光装置中首选的材料。目前,在惯性约束聚变装置中80%的光学元件是由熔石英构成。熔石英元件在紫外区域(355nm)损伤最为严重,光学元件损伤问题是制约高功率激光系统发展的技术瓶颈,激光诱导光学元件的破坏严重制约了很多应用领域的发展。为了深入分析熔石英激光损伤现象,人们搭建检测损伤测试平台进行熔石英激光诱导损伤实验研究。在熔石英激光诱导损伤研究实验的关键环节之一就是对熔石英损伤点的检测。常规的熔石英损伤点检测方法有弱吸收仪检测和CCD表面图像检测。弱吸收仪检测是通过样品吸收率变化来鉴别样品是否发生损伤,无法表征样品损伤的缺陷。利用CCD进行的表面图像检测,无法提供样品亚表层损坏的缺陷信息,且实时的激光太强也容易损伤CCD镜头。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是:基于现有常用的弱吸收仪检测和CCD检测的不足,本发明提供了解决上述问题的激光诱导熔石英损伤样品缺陷的太赫兹近场检测系统及方法。

本发明通过下述技术方案实现:

激光诱导熔石英损伤样品缺陷的太赫兹近场检测系统,包括激光诱导损伤单元和太赫兹近场检测单元;所述激光诱导损伤单元包括激光源I、激光源II、CCD探测器所述太赫兹近场检测单元包括激光源III、分束镜II、电导天线、斩波器、光电导微探针;所述激光I用于发射激光,诱导样品产生损伤;所述激光II用于发射激光,照射样品以便通过CCD探测器监视样品表面损伤情况;所述激光源III用于发射激光;所述分束镜II用于将激光源III发射的激光分为泵浦光和探测光;所述泵浦光经电导天线辐射出太赫兹波、再经斩波器转换后照射到经激光诱导损伤单元诱导损伤后的样品的下表面;所述探测光到达光电导微探针的针尖,用于产生自由载流子,进而在太赫兹电场的作用下产生光电流;所述光电导微探针用于检测穿过样品的太赫兹波。

目前,常规的熔石英损伤点检测方法有弱吸收仪检测和CCD表面图像检测。弱吸收仪检测是通过样品吸收率变化来鉴别样品是否发生损伤,无法表征样品损伤的缺陷。利用CCD进行的表面图像检测,无法提供样品亚表层损坏的缺陷信息,且实时的激光太强也容易损伤CCD镜头。本发明将激光诱导熔石英损伤装置与太赫兹近场成像系统相结合,可在线直接检测熔石英损伤后缺陷,且可同时高分辨率表征表层与亚表层的缺陷,能够较准确的标定损伤缺陷位置,本发明还能提供熔石英损伤样品相位谱信息。

进一步优选,所述激光诱导损伤单元还包括衰减片、分束镜I和能量卡计;激光I发射的激光经衰减片衰减;经衰减片衰减的激光再经分束镜I分为两束激光,一束用于能量卡计实时监测激光源I输出的能量,另一束激光用于诱导样品产生损伤。

进一步优选,所述激光诱导损伤单元还包括反射镜和透镜;所述反射镜用于改变激光传播路径,所述透镜用于将激光聚焦在样品表面进行诱导损伤。

进一步优选,太赫兹近场检测单元的泵浦光路上还包括延时光路,所述延时光路包括若干依次布置的反射镜;所述泵浦光经若干反射镜反射延时后进入经电导天线。

进一步优选,太赫兹近场检测单元的泵浦光路上还包括透镜,所述透镜用于将经斩波器的泵浦光激光聚焦在样品的下表面。

进一步优选,太赫兹近场检测单元的探测光路上还包括透镜,用于将探测光聚焦在光电导微探针的针尖处。

进一步优选,所述太赫兹近场检测单元还包括电流放大器和锁相放大器,所述探测光到达光电导微探针的针尖处,用于产生自由载流子,进而在太赫兹电场的作用下产生光电流,经电流放大器再输入到锁相放大器,锁相放大器结合输出的参考信号,随延时线变化得到完整的太赫兹脉冲波形。

进一步优选,还包括位移台,所述位移台用于将样品由激光诱导损伤单元的探测区域移动太赫兹近场检测单元的探测区域。

一种激光诱导熔石英损伤样品缺陷的太赫兹近场检测方法,包括以下步骤:

S1.制备激光诱导损伤熔石英样品,并通过CCD探测器实时观测熔石英样品表面;

S2.使激光诱导损伤后的熔石英样品移动到太赫兹近场单元探测区域;

S3.使用光电导微探针进行太赫兹信号探测,对熔石英损伤样品进行太赫兹扫描近场成像。

本发明具有如下的优点和有益效果:

本发明将激光诱导熔石英损伤装置与太赫兹近场成像系统相结合,可在线直接检测熔石英损伤后缺陷,且可同时高分辨率表征表层与亚表层的缺陷,能够较准确的标定损伤缺陷位置,本发明还能提供熔石英损伤样品相位谱信息。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解,构成本申请的一部分,并不构成对本发明实施例的限定。在附图中:

图1为本发明的太赫兹近场检测激光诱导熔石英损伤样品缺陷装置示意图。

附图中标记及对应的零部件名称:

1-激光源I,2-衰减片,3-反射镜I,4-分束镜I,5-能量卡计,6-透镜I,7-透镜II,8-激光源II,9-样品,10-位移台,11-激光源III,12-分束镜II,13-反射镜II,14-反射镜III,15-反射镜IV,16-反射镜V,17-反射镜VI,18-光电导天线,19-斩波器,20-离轴抛物面镜,21-透镜III,22-光电导微探针,23-电流放大器,24-锁相放大器,25-控制器,26-反射镜VII,27-透镜IV,28-反射镜VIII,29-CCD探测器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合实施例和附图,对本发明作进一步的详细说明,本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明,并不作为对本发明的限定。

实施例1

本实施例提供了一种熔石英损伤样品缺陷的太赫兹近场检测系统,主要由激光诱导损伤单元、太赫兹近场检测单元和位移台10三个单元构成,以下对这三个单元做详细介绍:

1、激光诱导损伤单元

激光诱导损伤单元包括激光源I1、衰减片2、反射镜I3、分束镜I4、能量卡计5、透镜I6、透镜II7、激光源II8和CCD探测器29;

激光源I1采用的是Nd:YAG纳秒脉冲激光源,激光源I发射出来的激光经衰减片2调节强度,再由反射镜I3反射,经分束镜I4分为两束激光:一束激光用于能量卡计5实时监测激光源I1输出的激光能量;另一束激光经透镜I6准直和透镜II7聚焦最终到达熔石英样品9上,由这束激光诱导样品9产生损伤。

激光源II8采用的是He-Ne激光源,用于照射样品9。控制器25上装载着CCD探测器29的配套软件,可通过CCD探测器29观测到样品9的表面损伤情况。

2、位移台

位移台10用于将样品9由激光诱导损伤单元的探测区域移动太赫兹近场检测单元的探测区域。本实施例位移台10采用电控三维位移台,在激光诱导熔石英样品9损伤形成后由电控位移平台控制样品移动到太赫兹近场成像系统中继续监测。

3、太赫兹近场检测单元

太赫兹近场检测单元包括激光源III11、分束镜II12、反射镜II13、反射镜III14、反射镜IV15、反射镜V16、反射镜VI17、电导天线18、斩波器19、离轴抛物面镜20、透镜III21、光电导微探针22、反射镜VII26、透镜IV27、反射镜VIII28、电流放大器23、锁相放大器24和控制器25。

在透射式太赫兹扫描近场成像系统中,依据相干探测探测原理,激光源III11采用飞秒激光器,产生中心波长为780nm的飞秒脉冲激光,飞秒激光被分束镜II12分为泵浦光和探测光:

在泵浦激光光路中,泵浦激光经由反射镜II13、反射镜III14、反射镜IV15和反射镜V16构成的延时光路改变与探测激光之间的光程差,再经反射镜VI17将泵浦激光聚焦到光电导天线18上从而辐射出太赫兹波。辐射出的太赫兹波经光学斩波器19调制后经离轴抛物面镜20准直,再由透镜III21(为太赫兹透镜)对太赫兹波进行聚焦后照射到样品9的下表面,穿过样品9的太赫兹波被位于样品9表面附近的光电导微探针22检测。

在探测光路中,探测激光经反射镜VII26反射,再由透镜IV27聚焦,最后经反射镜VIII28反射后到达光电导微探针22的针尖,用于产生自由载流子,进而在太赫兹电场的作用下产生光电流,经电流放大器23再输入到锁相放大器24,斩波器19的参考信号传送到锁相放大器24,锁相放大器24结合此参考信号随延时线变化得到完整的太赫兹脉冲波形,由锁相放大器24采集并处理后的太赫兹时域信号将输出传送到控制器25,在控制器25上可对数据进行进一步处理。

实施例2

本实施例提供了一种激光诱导熔石英损伤样品缺陷的太赫兹近场检测方法,采用实施例1提供的激光诱导熔石英损伤样品缺陷的太赫兹近场检测系统进行检测,具体步骤如下所示:

S1.制备激光诱导损伤熔石英样品,并通过CCD探测器实时观测熔石英样品表面。

光诱导熔石英样品损伤研究中是需要改变照射在熔石英样品9表面的激光能量,观测不同能量下的熔石英样品9的损伤情况。诱导损伤熔石英样品9通过以下方式实现:

(1)打开激光源II8与CCD探测器29,实时观测熔石英样品9的下表面。

(2)调整衰减片2和激光源I1以改变激光能量大小,通过能量卡计5测量光路中激光能量,激光通过透镜I6准直和透镜II7聚焦到熔石英样品9的表面,诱导熔石英样品9产生损伤。

S2.使激光诱导损伤后的熔石英样品移动到太赫兹近场单元探测区域。

控制装载样品9的电控三维位移平台,使样品9移动到太赫兹近场探测区域(如图1中虚线填充的样品示意位置)。

S3.使用光电导微探针进行太赫兹信号探测,对熔石英损伤样品进行太赫兹扫描近场成像。

电控三维位移平台控制样品9在近场探测区域二维移动,使用光电导微探针22进行太赫兹信号探测,对熔石英损伤样品9进行太赫兹扫描近场成像。经太赫兹近场成像获得熔石英损伤样品9表层与亚表层缺陷的高分辨率图像,能够较准确的标定损伤缺陷位置,同时也可获取熔石英损伤样品9的相位谱信息。

以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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