CN107806933A - 光学材料激光诱导冲击波波速的测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于双束时间分辨泵浦探测技术的激光诱导光学材料体内冲击波波速的测量方法。光学材料激光诱导冲击波波速的测量方法，该方法包括以下步骤：1)双束探测成像系统获取泵浦激光脉冲激发待测样品内部冲击波某一时刻的相同位置、设定时间间隔的两幅图像；2)基于图像处理算法，比较两幅图像中冲击波波峰包络位置变化量，计算获取某一时刻的冲击波波速。本发明建立双束探测成像系统，一路泵浦激光脉冲作用于光学材料并激发诱导冲击波现象，双路探测激光脉冲以一定的时间间隔辐照至激发区域，携带冲击波位置信息的双路探测光分别由探测捕获，通过改变泵浦激光脉冲与探测激光脉冲之间的延时量，可精确测得任意时刻的激光诱导冲击波波速。

Description

光学材料激光诱导冲击波波速的测量装置及其方法

技术领域

本发明属于高速测量技术领域，特别是涉及一种基于时间分辨泵浦探测技术的光学材料激光诱导冲击波波速的精确测量装置及其方法。

背景技术

长期以来，光学材料的纳秒激光诱导损伤问题是高功率激光光学材料生产领域的重要问题，与损伤物理机制相关的理论研究能为材料生长工艺改进提供方向指导。大量研究表明，光学材料的纳秒激光诱导体损伤通常与材料自身缺陷相关，这些缺陷包括杂质缺陷、电子缺陷、结构缺陷等多种类型。缺陷诱导损伤的物理机制十分复杂，其中激光诱导冲击波产生于光学材料与激光脉冲作用的中后期，其传播规律对光学材料体损伤的宏观特征形成具有决定性影响。因此，定量测量冲击波波速对光学材料体损伤理论研究具有重要意义。

精确测量激光诱导冲击波波速比较困难，首先因为，受到待测样品尺寸限制相比于冲击波在自由空间的传播，材料内部的冲击波传播距离有限，要求测量系统具有极快速的时间响应能力；其次，对于一些非线性光学材料来说，冲击波在材料体内传播时表现出各向异性的特征，需要对各个不同方向的速率进行逐一测量，这大大增加了测量难度；同时，冲击波动力学特性反映了爆炸内能强度，需要对不同延时量下的冲击波速进行测定，以获得冲击波传播动力学规律。

基于时间分辨泵浦探测技术能够对激光诱导冲击波波速进行测量。有些研究采用单台纳秒激光器来进行泵浦光和探测光复用方式，实现冲击波波速测量，但单台激光器条件下的泵浦光与探测光之间的延迟通常采用光学延迟方式，延迟量十分有限，限制了冲击波这种材料激光损伤中后期物理现象研究。另外，由于纳秒曝光时间过长，高速传播的冲击波波峰会形成一定的拖影，严重影响对位置的准确判断，测量误差较大。为了解决拖影问题，有些研究采用脉冲更短的皮秒或飞秒激光器作为泵浦源和探测光。但皮秒和飞秒激光对材料的作用机制与纳秒激光完全不同，这种替代使得冲击波波速测量结果在纳秒诱导损伤机制研究方面失去了适用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于双束时间分辨泵浦探测技术的激光诱导光学材料体内冲击波波速的测量装置及其方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：光学材料激光诱导冲击波波速的测量方法，该方法包括以下步骤：

1)双束探测成像系统获取泵浦激光脉冲激发待测样品内部冲击波某一时刻的相同位置、设定时间间隔的两幅图像；

2)基于图像处理算法，比较两幅图像中冲击波波峰包络位置变化量，计算获取某一时刻的冲击波波速。

进一步的，所述步骤1)是：调节泵浦激光脉冲能量，使得待测样品(8)在激光通量F_i下产生体损伤并出现爆炸冲击波，调节泵浦激光脉冲和探测激光脉冲之间的延时ΔT，设定双束子探测光之间的延时τ，在同一位置采集时间间隔为τ的两幅冲击波波峰面位置阴影图像；所述步骤2)是：比较两幅图像中冲击波波峰传播距离差ΔR，则瞬时速度为v＝ΔR/τ，改变激光通量F_i和探测延时ΔT，获得冲击波波速表达式为v＝Φ{F,ΔT}。

进一步的，所述步骤1)是：泵浦激光器发出纳秒激光脉冲，经能量衰减器进行激光通量调节，然后通过第二传输反射镜入射至待测样品体内，在激光焦点能量密度为F_i，诱导材料体损伤，激发爆炸冲击波；通过数字延时发生器控制探测激光器，在所述泵浦激光脉冲发出后的ΔT_i时刻发出探测光脉冲，探测光脉冲经第一传输反射镜进行光路指向调节，通过第一偏振分光棱镜分为偏振方向互为垂直的双束探测光S光和P光，其中S光进入由第一向后发射器、第二后向发射器和第三后向发射器构成的延时光路中，通过调节第二后向发射器与第一后向发射器之间以及第二后向发射器与第三后向发射器之间的距离，使得S光行进额外的光程，从而获得S光与P光之间的延时量τ；S光和P光通过第二偏振分光棱镜合束后，共轴地入射至待测样品的冲击波激发区域，此时，P光携带ΔT_i时刻冲击波位置信息，而S光携带ΔT_i+τ时刻冲击波位置信息；携带不同时刻冲击波位置信息的S光和P光再次通过第三偏振分光棱镜分离后，P光进入第一CCD显微镜，S光进入第二CCD显微镜，并都以暗场成像的方式获得瞬态阴影图像。

进一步的，所述步骤2)是：上位机对上述瞬态阴影图像信号提取、分析和存储，通过二值化图像边缘寻找处理算法分别获得ΔT_i时刻冲击波半径R_ip，和ΔT_i+τ时刻冲击波半径R_is，在τ时间间隔内冲击波波峰面行进距离为ΔR_i＝R_is-R_ip，在ΔT_i时刻冲击波波速大小为v_i＝ΔR_i/τ，改变激光能量密度F_i和探测光延时ΔT_i，可以获得冲击波波速表达式为v＝Φ{F,ΔT}。

光学材料激光诱导冲击波波速的测量装置，包括：

激光发生装置：发出双束激光脉冲并控制双束激光脉冲之间的延时量；

光学延迟系统：控制两束探测子光束之间的延时量；

信号采集分析系统：对冲击波瞬态阴影图像采集和分析。

进一步的，所述激光发生装置包括探测激光器、泵浦激光器以及探测激光器和泵浦激光器之间设置的数字延时发生器，所述探测激光器采用皮秒脉冲激光器，用于产生探测待测样品内冲击波波峰面位置的探测光脉冲，所述泵浦激光器采用纳秒脉冲激光器，用于诱导待测样品损伤，产生用于激发光学材料冲击波的泵浦激光脉冲，所述数字延时发生器用于精确控制泵浦脉冲与探测脉冲之间的延时量。

进一步的，在所述探测激光器与光学延迟系统之间还设置有第一传输反射镜、第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜，用于控制光束传输走向，实现精确对焦以及用于实现探测光束偏振分离和合束，在所述泵浦激光器的光路后还设置有能量衰减器和第二传输反射镜，用于调节泵浦激光脉冲能量以及用于控制光束传输走向，实现精确对焦。

进一步的，所述探测激光源发射中心波长为532nm，脉冲宽度为50ps，重复频率为5Hz，用于产生超快探测脉冲；所述泵浦激光器发射中心波长为355nm，脉冲宽度3.5ns，重频频率为5Hz，用于激发诱导待测样品内产生爆炸冲击波；所述数字延时发生器延时量控制范围为0至2000s，控制精度为1ns。

进一步的，所述光学延迟系统包括第一后向发射器、第二后向发射器和第三后向发射器，通过调节第二后向发射器与第一后向发射器之间以及第二后向发射器与第三后向发射器之间的距离，实现两束探测子光束之间的延时。

进一步的，所述信号采集分析系统包括第一CCD显微镜、第二CCD显微镜和上位机，所述第一CCD显微镜和第二CCD显微镜用于对双束延时探测光照下冲击波的瞬态阴影图像的拍照采集，所述上位机用于对第一CCD显微镜和第二CCD显微镜采集到的冲击波瞬态阴影图像的信号提取、分析和存储以及对数字延时发生器时序的控制；在所述第一CCD显微镜和第二CCD显微镜之间还设置有第三偏振分光棱镜，用于实现探测光束偏振分离和合束。

本发明的有益效果是：本发明方法基于时间分辨泵浦探测技术，建立双束探测成像系统，一路泵浦激光脉冲作用于光学材料并激发诱导冲击波现象，双路探测激光脉冲以一定的时间间隔辐照至激发区域，携带冲击波位置信息的双路探测光分别由探测捕获，通过图像处理算法获得时间间隔内冲击波的位移矢量，进而获得冲击波的瞬态波速。通过改变泵浦激光脉冲与探测激光脉冲之间的延时量，可精确测得任意时刻的激光诱导冲击波波速。本发明方法采用皮秒激光光源作为探测光，能获得清晰成像效果，延时控制方式为电延时与光延时结合，具有皮秒级控制精度，因此，采用本方法测量激光诱导冲击波波速具有很高的测量精度。可以借由此方法研究透明材料体内激光诱导冲击波的瞬态动力学特性。

附图说明

图1是本发明的工作原理示意图。

图2是本发明装置的光路示意图。

图3是本发明的待测样品体内冲击波阴影成像示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明采用的是双束探测成像系统，由泵浦激光器、探测激光器、电学延迟系统、光学延迟系统、双成像探测器构成，其基本工作原理是由纳秒激光器发出泵浦激光脉冲，通过光学系统传输聚焦于待测样品体内，调节泵浦激光脉冲能量，使其超过一定通量阈值，在待测样品体内产生体损伤破坏，并激发产生爆炸冲击波。同时，电学延迟系统控制皮秒激光器延时量发出探测激光，经偏振光分离器后分成两束偏振方向互为垂直的子光束，子光束之间的延时通过光学延迟系统来控制。子光束经延时调节后由偏振合束器合束，合束后的探测光入射至待测样品冲击波区域。携带冲击波位置信息的阴影图像由双成像探测器采集捕获。利用图像处理算法对阴影图像进行信息提取，通过精确比较两幅图像之间冲击波波峰面位置的差值，计算出冲击波瞬态速度。

具体的可以采用，如图2所示，本发明装置包括激光发生装置、光学延迟系统和信号采集分析系统。其中，激光发生装置包括探测激光器1、泵浦激光器2以及探测激光器1和泵浦激光器2之间设置的数字延时发生器9，探测激光器1采用皮秒脉冲激光器，用于产生探测待测样品8内冲击波波峰面位置的探测光脉冲，泵浦激光器2采用纳秒脉冲激光器，用于诱导待测样品8损伤，产生用于激发光学材料冲击波的泵浦激光脉冲，数字延时发生器9用于精确控制泵浦脉冲与探测脉冲之间的延时量。

光学延迟系统用于探测激光脉冲产生一定时间间隔的双束探测光，包括第一后向发射器601、第二后向发射器602和第三后向发射器603，通过调节第二后向发射器602与第一后向发射器601之间以及第二后向发射器602与第三后向发射器603之间的距离，实现两束探测子光束之间的延时。

本发明在上述探测激光器1与光学延迟系统之间还设置有第一传输反射镜301、第一偏振分光棱镜501和第二偏振分光棱镜502，用于控制光束传输走向，实现精确对焦以及用于实现探测光束偏振分离和合束，在上述泵浦激光器2的光路后还设置有能量衰减器4和第二传输反射镜302，用于调节泵浦激光脉冲能量以及用于控制光束传输走向，实现精确对焦。

上述信号采集分析系统包括第一CCD显微镜701、第二CCD显微镜702和上位机10，第一CCD显微镜701和第二CCD显微镜702用于对双束延时探测光照下冲击波的瞬态阴影图像的拍照采集，上位机10用于对第一CCD显微镜701和第二CCD显微镜702采集到的冲击波瞬态阴影图像的信号提取、分析和存储以及对数字延时发生器9时序的控制。

本发明在上述第一CCD显微镜701和第二CCD显微镜702之间还设置有第三偏振分光棱镜503，用于实现探测光束偏振分离和合束。

本发明优选上述探测激光源1发射中心波长为532nm，脉冲宽度为50ps，重复频率为5Hz，用于产生超快探测脉冲；泵浦激光器2发射中心波长为355nm，脉冲宽度3.5ns，重频频率为5Hz，用于激发诱导待测样品体内产生爆炸冲击波；数字延时发生器9延时量控制范围为0至2000s，控制精度为1ns。

本发明的激光诱导光学材料体内冲击波波速的测量方法包括以下步骤：

1)泵浦激光器2发出纳秒激光脉冲，经能量衰减器4进行激光通量调节，然后通过第二传输反射镜302入射至待测样品8体内，在激光焦点能量密度为F_i，诱导材料体损伤，激发爆炸冲击波；

2)通过数字延时发生器9控制探测激光器1，在上述泵浦激光脉冲发出后的ΔT_i时刻发出探测光脉冲，探测光脉冲经第一传输反射镜301进行光路指向调节，通过第一偏振分光棱镜501分为偏振方向互为垂直的双束探测光S偏振光和P偏振光(以下简称S光和P光)，其中S光进入由第一向后发射器601、第二后向发射器602和第三后向发射器603构成的延时光路中，通过调节第二后向发射器602与第一后向发射器601之间以及第二后向发射器602与第三后向发射器603之间的距离，使得S光行进额外的光程，从而获得S光与P光之间的延时量τ；

3)S光和P光通过第二偏振分光棱镜502合束后，共轴地入射至待测样品8的冲击波激发区域，此时，P光携带ΔT_i时刻冲击波位置信息，而S光携带ΔT_i+τ时刻冲击波位置信息；

4)携带不同时刻冲击波位置信息的S光和P光再次通过第三偏振分光棱镜503分离后，P光进入第一CCD显微镜701，S光进入第二CCD显微镜702，并都以暗场成像的方式获得瞬态阴影图像；

5)上位机10对上述瞬态阴影图像信号提取、分析和存储，通过二值化图像边缘寻找处理算法分别获得ΔT_i时刻冲击波半径R_ip(如图3a所示)，和ΔT_i+τ时刻冲击波半径R_is(如图3b所示)，在τ时间间隔内冲击波波峰面行进距离为ΔR_i＝R_is-R_ip(如图3c所示)，由于τ通过光学延时可以控制在ps量级，因此，可以近似认为在ΔT_i时刻冲击波波速大小为v_i＝ΔR_i/τ，改变激光能量密度F_i和探测光延时ΔT_i，可以获得冲击波波速表达式为v＝Φ{F,ΔT}。

本发明的探测激光器采用皮秒激光器，由此获得的单幅成像探测精度为皮秒量级；电学延迟系统采用延迟触发器，可在1ns至10s时间范围任意设置延时间隔的触发电信号；光学延迟系统采用光延迟线，可在1ps至15ns时间范围内任意设置延迟时间量；探测激光脉冲经由偏振分束器进行分束后，通过光学延时系统控制偏振方向正交的两束探测激光脉冲之间的延时量。

上述探测激光经过偏振分光器分为振动方向互为垂直的两束光S光和P光，通过调节光延迟线长度改变S光和P光之间的时间间隔。泵浦激光脉冲作用于待测光学材料内部，调节泵浦激光脉冲能量使其超过材料冲击波激发阈值，与聚焦区域产生冲击波。共轴的双束探测光S光和P光垂直于泵浦激光方向透射待测光学材料冲击波激发区域。双成像显微镜分别同步地对透射后的S光和P光进行暗场成像。

图像处理算法采用二值化图像边缘寻找算法，分别获得设定时间间隔内S光和P光照射下冲击波锋面的暗场图像。计算两张暗场图像中冲击波峰面位置差，位置差除以S光和P光的时间间隔得到冲击波瞬时波速。改变延迟触发器的延迟量，重复上述步骤获得不同时刻的冲击波瞬时波速。

上述的双成像显微镜的图像采集触发模式为外触发。所述的S光和P光时间间隔调节精度为1ps。所述的泵浦激光脉冲与探测激光脉冲时间间隔调节精度为1ns。所述的S光和P光入射角度差异绝对值不超过1°。

Claims (10)

1.光学材料激光诱导冲击波波速的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)双束探测成像系统获取泵浦激光脉冲激发待测样品(8)内部冲击波某一时刻的相同位置、设定时间间隔的两幅图像；

2)基于图像处理算法，比较两幅图像中冲击波波峰包络位置变化量，计算获取某一时刻的冲击波波速。

2.如权利要求1所述的光学材料激光诱导冲击波波速的测量方法，其特征在于，所述步骤1)是：调节泵浦激光脉冲能量，使得待测样品(8)在激光通量F_i下产生体损伤并出现爆炸冲击波，调节泵浦激光脉冲和探测激光脉冲之间的延时ΔT，设定双束子探测光之间的延时τ，在同一位置采集时间间隔为τ的两幅冲击波波峰面位置阴影图像；所述步骤2)是：比较两幅图像中冲击波波峰传播距离差ΔR，则瞬时速度为v＝ΔR/τ，改变激光通量F_i和探测延时ΔT，获得冲击波波速表达式为v＝Φ{F,ΔT}。

3.如权利要求1所述的光学材料激光诱导冲击波波速的测量方法，其特征在于，所述步骤1)是：泵浦激光器(2)发出纳秒激光脉冲，经能量衰减器(4)进行激光通量调节，然后通过第二传输反射镜(302)入射至待测样品(8)体内，在激光焦点能量密度为F_i，诱导材料体损伤，激发爆炸冲击波；通过数字延时发生器(9)控制探测激光器(1)，在所述泵浦激光脉冲发出后的ΔT_i时刻发出探测光脉冲，探测光脉冲经第一传输反射镜(301)进行光路指向调节，通过第一偏振分光棱镜(501)分为偏振方向互为垂直的双束探测光S光和P光，其中S光进入由第一向后发射器(601)、第二后向发射器(602)和第三后向发射器(603)构成的延时光路中，通过调节第二后向发射器(602)与第一后向发射器(601)之间以及第二后向发射器(602)与第三后向发射器(603)之间的距离，使得S光行进额外的光程，从而获得S光与P光之间的延时量τ；S光和P光通过第二偏振分光棱镜(502)合束后，共轴地入射至待测样品(8)的冲击波激发区域，此时，P光携带ΔT_i时刻冲击波位置信息，而S光携带ΔT_i+τ时刻冲击波位置信息；携带不同时刻冲击波位置信息的S光和P光再次通过第三偏振分光棱镜(503)分离后，P光进入第一CCD显微镜(701)，S光进入第二CCD显微镜(702)，并都以暗场成像的方式获得瞬态阴影图像。

4.如权利要求1所述的光学材料激光诱导冲击波波速的测量方法，其特征在于，所述步骤2)是：上位机(10)对上述瞬态阴影图像信号提取、分析和存储，通过二值化图像边缘寻找处理算法分别获得ΔT_i时刻冲击波半径R_ip，和ΔT_i+τ时刻冲击波半径R_is，在τ时间间隔内冲击波波峰面行进距离为ΔR_i＝R_is-R_ip，在ΔT_i时刻冲击波波速大小为v_i＝ΔR_i/τ，改变激光能量密度F_i和探测光延时ΔT_i，可以获得冲击波波速表达式为v＝Φ{F,ΔT}。

5.光学材料激光诱导冲击波波速的测量装置，其特征在于，包括：

激光发生装置：发出双束激光脉冲并控制双束激光脉冲之间的延时量；

光学延迟系统：控制两束探测子光束之间的延时量；

信号采集分析系统：对冲击波瞬态阴影图像采集和分析。

6.如权利要求5所述的光学材料激光诱导冲击波波速的测量装置，其特征在于，所述激光发生装置包括探测激光器(1)、泵浦激光器(2)以及探测激光器(1)和泵浦激光器(2)之间设置的数字延时发生器(9)，所述探测激光器(1)采用皮秒脉冲激光器，用于产生探测待测样品(8)内冲击波波峰面位置的探测光脉冲，所述泵浦激光器(2)采用纳秒脉冲激光器，用于诱导待测样品(8)损伤，产生用于激发光学材料冲击波的泵浦激光脉冲，所述数字延时发生器(9)用于精确控制泵浦脉冲与探测脉冲之间的延时量。

7.如权利要求6所述的光学材料激光诱导冲击波波速的测量装置，其特征在于，在所述探测激光器(1)与光学延迟系统之间还设置有第一传输反射镜(301)、第一偏振分光棱镜(501)和第二偏振分光棱镜(502)，用于控制光束传输走向，实现精确对焦以及用于实现探测光束偏振分离和合束，在所述泵浦激光器(2)的光路后还设置有能量衰减器(4)和第二传输反射镜(302)，用于调节泵浦激光脉冲能量以及用于控制光束传输走向，实现精确对焦。

8.如权利要求6所述的光学材料激光诱导冲击波波速的测量装置，其特征在于，所述探测激光源(1)发射中心波长为532nm，脉冲宽度为50ps，重复频率为5Hz，用于产生超快探测脉冲；所述泵浦激光器(2)发射中心波长为355nm，脉冲宽度3.5ns，重频频率为5Hz，用于激发诱导待测样品(8)内产生爆炸冲击波；所述数字延时发生器(9)延时量控制范围为0至2000s，控制精度为1ns。

9.如权利要求5所述的光学材料激光诱导冲击波波速的测量装置，其特征在于，所述光学延迟系统包括第一后向发射器(601)、第二后向发射器(602)和第三后向发射器(603)，通过调节第二后向发射器(602)与第一后向发射器(601)之间以及第二后向发射器(602)与第三后向发射器(603)之间的距离，实现两束探测子光束之间的延时。

10.如权利要求5所述的光学材料激光诱导冲击波波速的测量装置，其特征在于，所述信号采集分析系统包括第一CCD显微镜(701)、第二CCD显微镜(702)和上位机(10)，所述第一CCD显微镜(701)和第二CCD显微镜(702)用于对双束延时探测光照下冲击波的瞬态阴影图像的拍照采集，所述上位机(10)用于对第一CCD显微镜(701)和第二CCD显微镜(702)采集到的冲击波瞬态阴影图像的信号提取、分析和存储以及对数字延时发生器(9)时序的控制；在所述第一CCD显微镜(701)和第二CCD显微镜(702)之间还设置有第三偏振分光棱镜(503)，用于实现探测光束偏振分离和合束。